煤层上覆关键岩层水力压裂卸压瓦斯治理工艺

煤层上覆关键岩层水力压裂卸压瓦斯治理工艺

冀超辉

（1）瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400039；（2）中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆，400039；

摘要：煤气管道的低浓度长期以来一直是矿山安全高效生产的瓶颈，土壤应力、气体应力等导致碳水化合物增加的因素的影响更加严重。高应力和复杂的天然气储备所造成的碳纤维、异常强烈的气体排放以及与瓦砾和煤炭开采有关的其他自然灾害，对煤炭运输安全构成了更大的威胁。释放岩石应力、改善煤层气、提高瓦斯泄漏效率、改善井的影响范围，对瓦斯治理至关重要，压力增大是实现这些点的主要途径。近年来，越来越多的东西治理和机构专家开始关注水下压力，以增加煤层气，进行综合w控制，消除危险的综合效应，并开展各种理论研究。

关键词：煤层上覆；岩层水力压裂卸压；瓦斯治理工艺

引言

我们大多数国家属于体积大、气流低、难以回收的低碳气体层，为煤气事故创造了条件。随着二氧化碳生产水平的提高，天然气管理变得更加困难，有时还伴随着气体和气体爆炸。为了控制燃煤电厂的深层气体，国内外研究人员进行了一系列的研究，并提出了改善气体通风和消耗的方法。例如液压加压、矿物保护、水压、水泄压、无球辐射等所有这些办法都达到一定的管理要求，从而减少了生产中的气体事故。压裂技术是天然气土壤侵蚀的传统方法。随着压裂技术的日益普及，越来越多的燃煤电厂采用了简单、多功能的工艺。

1现场施工概述

压裂钻孔采用分段压裂方式，根据理论计算确定坚硬砂岩作为压裂区域。巷道两侧压裂钻孔分段压裂布置：高位钻孔开孔高度１.５ｍ，超前工作面５５ｍ，终孔距离煤层上方３０ｍ，与巷帮夹角１５°，倾角３０°，钻孔长度６５ｍ，穿过主关键层和亚关键层，其中在主关键层布置两个压裂段，分别位于钻孔深度为５５ｍ和４１ｍ处；亚关键层布置一个压裂段，位于钻孔深度１９ｍ处。低位钻孔开孔高度１.５ｍ，超前工作面５５ｍ，方位角±１５°，倾角１３°，钻孔长度５９ｍ，终孔距离煤层上方１１ｍ，只穿过亚关键层，在亚关键层布置二个压裂段，分别位于钻孔深度４９ｍ和３５ｍ处。

2水力压裂在井下瓦斯治理中的效果

水力压裂工艺简单，对煤层瓦斯管理有多种效果。(1)减少气体从煤层气中泄漏的危险。应用水力压降时，水也会影响煤层。气层火化后，气体具有一定的阻隔作用，减少了工作面的排放、气体风险和气体风险。(2)改进煤矿。液压压力的主要作用是提高煤炭吸收率，为天然气流量提供渠道。拆分碳水化合物会产生连接分隔缝，通过增加现有裂缝，大大增加煤层气的强度。(3)降低煤层强度。填煤层增加了含水量，水饱和度降低了压力和抗拉强度，增加了碳排放，提高了开采效率。(4)除尘。水力劈裂给煤层气造成了大量水的负荷，阻止了煤的流出，降低了车间粉尘的浓度，改善了工作条件，保护了工人的健康。(5)降低煤层气压力。堵塞压力可以使煤层裂缝相互渗透，从而增加气体的波动性，消除对当地气体的压力，平衡气体层的压力，减少过度开采的危险。(6)应力补偿。能量和气体亮显是应力和气体压力组合作用的结果。水力压裂补偿了煤层附近的应力，使局部应力不太高，从而有效地避免了煤层开采和瓦斯突出。

3压裂工艺

（1）封孔工艺采用两个１ｍ长橡胶注水封孔器ＭＡ－Ａ６４增强型相互连接，橡胶段因注水升压膨胀对压裂段两端进行有效封堵，中间布置注水孔对封孔段进行注水起裂。（２）注水压裂将胶囊封孔器与钻杆连接送入压裂段后进行注水压裂。依据Ｈ－Ｗ模型理论计算岩石破裂压力，拟采用缓慢升高注水压力的方式且最大压力不超过１６ＭＰａ，并在高压下持续注水２０ｍｉｎ。注水压裂期间监测观测孔和顶板透水情况，若出现渗水测立即停止压裂。注水压力随时间变化如图1所示，从图中可以看出注水压力实时曲线可分为以下４个阶段：①水压自然上升：通过机械注水，注水量大于滤失量压力不断上升，在水压作用下封孔器形成有效膨胀封堵钻孔，注水压力升高逐渐放缓，在３ＭＰａ左右达到压力平衡；②手动升压：泵注压力与孔内压力达到平衡后，人工调节注水压力。③动力保持：随着水不断注入并在钻孔中逐渐累积，水压升高至砂岩的破裂压力，保持砂岩出现起裂时的注水动力进行持续注水，使裂缝充分延伸。当裂缝延伸至观测孔，出现压力骤降且不再升高。④手动卸压：观测孔持续出水、压力稳定，手动降低注水压力后关停水泵，完成压裂。

图1压裂段注水压力随时间变化曲线

4井下钻孔瓦斯抽放

井下瓦斯抽放往往是通过高密度钻井、大量作业来实现的。平均每2m钻一次，钻深50m以上，钻费30 ~ 90元/米，50元/米，按10000平方米的提取范围约100块，钻费25000元以上。排水井施工需要三班制孔，工程量巨大，并网排水用气浓度低，大多不能满足用电要求。

5水力压裂效果分析

由于完成裂缝后煤层的气体渗透率较高，排水井排出的气体体积分数增加。瓦斯抽放及瓦斯抽放体积分数呈明显波动趋势，波动后呈下降趋势，最终趋于稳定。图2显示了现有孔和研究人员的气体排水体积分数随时间变化的趋势，可以看出，两个普通孔的气体排水体积分数较低，随时间变化不大，最大气体排水体积分数仅为15%，平均为11.8%。调查的水井的瓦斯抽放体积分数远远超过现有钻孔，最大瓦斯抽放体积分数提高了60%，平均提高了40%，瓦斯抽放体积分数提高了3.4倍。图3显示了现有孔和研究孔的气体提取量随时间变化的趋势，研究孔的平均气体提取量为0.32 m3/min，一般孔的平均气体提取量仅为0.083 m3/min，水力破裂后裂纹孔的气体提取量与一般孔相比仅为0.083m3/min。

图2瓦斯抽采体积分数随时间变化情况

图3瓦斯抽采量随时间变化情况

6探索出穿层水力压裂的各项技术标准

注水压裂横向影响范围约为30m，注水压力为5 ~ 30 MPa，注水时间一般为3 ~ 4h，以缓解压力或进水为准。主水孔前后5米范围内的其他孔应上锁，主水孔钟位置和排水口不能在同一轴线上。否则，很容易消除压力。

结束语

基于关键层理论计算得出煤层上覆岩层关键层层位，由数值模拟结果结合现场应用效果可知，采用关键层水力压裂，煤层卸压效果显著。实施关键层水力压裂卸压瓦斯治理技术后８００３掘进工作面响煤炮现象显著减少、回风流瓦斯浓度明显降低，有力的保障工作面的安全性。在井下实施关键层水力压裂技术能够在松软、低透气、高瓦斯煤层中实现煤层瓦斯区域整体卸压增透、高效抽采。

参考文献

[1]王向东.高瓦斯矿井水力压裂卸压增透技术研究与应用[J].自动化应用,2019

[2]崔联兵.水力压裂技术在矿井瓦斯治理中的应用[J].能源技术与管理,2018

[3]袁亮,林柏泉,杨威.我国煤矿水力化技术瓦斯治理研究进展及发展方向[J].煤炭科学技术,2018