水力压裂卸压增透技术在高突煤层工作面瓦斯抽采中的应用

水力压裂卸压增透技术在高突煤层工作面瓦斯抽采中的应用

根据《预防和控制煤炭和砖瓦突出规定》（2009年），区域预防措施包括采矿保护和预抽顶板和采矿砖瓦。对单一煤层开采的矿井来说,主要采取预抽煤层瓦斯的方法。豫西矿区主要开采二1煤层,大多矿井属单一煤层开采,而且煤层为全层构造煤,煤类达到Ⅳ~Ⅴ类,透气性极低,透气性系数一般在0.000472~0.0467m2/(MPa2·d)之间,属极难抽采煤层。常规的预抽瓦斯技术虽然能解决一定的问题,但抽采效果不理想,抽采后突出危险性仍然很高。通过采取水力压裂卸压增透措施,煤层中的裂隙贯通,增加了其透气性,可以取得良好的抽采效果。此外,采用计算分析、现场考察等方法,可以对水力压裂的起裂压力、裂缝形态及影响因素进行分析,找出规律,为相似条件下的水力压裂试验提供依据。针对煤层水力压裂技术的特点,前人进行了大量研究。李国旗、叶青等系统地阐述了高瓦斯、低透气性突出煤层水力压裂所需的注水压力、流量、注水时间等技术参数以及煤体内在因素的影响;徐幼平、林伯泉等利用RFPA2D-Flow软件模拟了水力压裂起裂、扩展和延伸过程,并提出了定向水力压裂技术,解决了压裂过程中出现的卸压盲区问题。文章以豫西郑州矿区大平煤矿为例,对矿井21121工作面底抽巷水力压裂增透抽采技术进行了考察分析,分析结果对研究水力压裂参数有重要的指导意义。1号压裂孔压裂大平煤矿21121工作面位于矿井东南部,大冶向斜的倾伏端,平均煤厚7.0m,煤层倾角22°,瓦斯含量11.69m3/t,属于严重突出危险煤层。21121工作面底板抽放巷于2011年9月开口施工,巷道净宽4.0m,净高3.0m,净断面10.3m2,锚喷支护,巷道帮上开掘钻场,钻场间距30m。在1号钻场中施工1号压裂孔,并于2013年1月17日8点班进行压裂,最高泵站压力19MPa,向孔内注水30.5t。该孔压裂10min后,在压裂钻场以里15m处,巷道左上部出现了一道长约5m的裂缝,1号钻场以外15m处的1号卸压孔有水渗出。表明该孔周围裂隙发育,水流渗失较大,压裂效果不好。鉴于上述原因,对1号压裂孔及卸压孔进行封堵,施工2号压裂孔。2号压裂孔于2月6日8点班进行压裂,最高泵站压力19.5MPa,向孔内注水47t。该孔压裂70min后,在2号卸压孔内开始出现卸煤现象,此时21121底板抽放巷回风瓦斯探头数值由0.01%升高至0.14%,3号钻场施工的穿层钻孔有个别孔口瓦斯浓度变化量达到30%以上。实施水力压裂之后,在相邻的钻场施工抽采钻孔,并对瓦斯抽采数据进行考察。由于3号钻场各钻孔在2月26日联网抽采至3月25日,瓦斯抽采浓度大多已降至30%以下,随决定4月1日在2号压裂孔进行第二次压裂,以提高瓦斯抽采效果。2号钻场瓦斯流量计衰减情况水力压裂效果的定量考察主要从瓦斯抽采浓度、流量等方面进行。总体上抽采效果得到大幅度提高。1)抽采浓度对比。3号钻场钻孔瓦斯抽采浓度一直较稳定,基本上在40%左右,而4号钻场瓦斯浓度衰减很快,不到一个月即衰减到20%,3号钻场抽采浓度基本是4号钻场的2倍左右,衰减周期也较4号钻场长。2)抽采流量对比。3号钻场D150mm孔板瓦斯流量计在3个月的抽采时间内平均测定流量为0.759m3/min,4号钻场在一个半月的抽采时间内平均流量为0.467m3/min,3号钻场瓦斯流量较4号钻场提高了75%。以上特点表明,水力压裂的影响范围已经到离压裂孔60m的3号钻场,4号钻场未在影响范围内,可见水力压裂的压裂效果是不错的,压裂后瓦斯抽采效率、抽采时间及抽采半径均有所提高。3抽采量大、特点构造煤较原生结构煤的煤质松软,可塑性强,水力压裂形成的裂缝较短,且裂缝容易弥合,前期抽采量大,后期抽采量降低较快。考虑矿井的实际情况及抽采经验,在松软的构造煤中进行水力压裂,在抽采浓度降到30%以下时,可以进行重复压裂,以增加瓦斯抽采时间,提高瓦斯抽采效果。3.1基本粒子水平裂缝形成机理水力压裂裂缝形态受控于地应力的大小和方向。岩石力学研究表明,地壳中任意一点受三个方向的主应力共同作用,即垂向主应力(σz)和两个相互垂直的水平主应力(σx、σy,设σx>σy)。三个方向应力的大小直接影响着裂缝的延伸方向,裂缝总是沿着阻力最小的方向延伸、发展,即平行于最大水平主应力的方向扩展、延伸。当σx>σz>σy或σz>σx>σy时,会产生垂直裂缝;在σx>σy>σz时,产生水平裂缝。根据文献,通常情况下,当埋深小于1000m时,水平应力为最大主应力,当埋深大于1000m时,垂直应力为最大主应力;康红普,林健,张晓等对潞安矿区井下地应力测量及分布规律做了一些研究,结果表明:当埋深小于500m时,水平应力为最大主应力,当埋深大于500m时,垂直应力为最大主应力;张延新、宋常胜、蔡美峰等对深孔水压致裂地应力测量及应力场反演进行研究,通过水压致裂过程中的压裂施工曲线,求得裂缝起裂压力、延伸压力和重张压力,进而根据换算公式求得煤岩层所处的水平应力σh、σH及垂直应力σv;景锋、盛谦、张勇慧等通过收集中国大陆地区450多个钻孔的地应力实测资料,建立了我国垂直应力(σv)、最大和最小水平主应力(σH、σh)随埋深的分布关系:且相关系数均在0.9以上,可信度较高。由公式(1)知:随着采深的增加,最大水平主应力与垂直应力的差距会变小,与上述学者的理论研究一致。当σy>σz时,0.0182H+2.2328>0.027H,即H<255m时,有σx>σy>σz,水力压裂时产生水平裂缝;当σx>σz>σy时,有0.0216H+6.7808>0.027H>0.0182H+2.2328,即:255m<H<1255m时,水力压裂产生垂直裂缝;当0.0216H+6.7808<0.027H,即H>1255m时,满足σz>σx>σy,水力压裂仍然产生垂直裂隙。综上可知,一般情况下,在埋深较浅的矿井或工作面进行水力压裂时(小于250m),主要产生水平裂缝,随着埋深增加(大于250m),将产生垂直裂缝。根据埋深的不同,确定裂缝的形态,可为矿井水力压裂设计提供指导。根据大平煤矿钻孔资料:21121工作面埋深在500m左右,由公式(1)知:σH=17.581MPa,σh=11.333MPa,σz=2.7×5=13.500MPa,满足σx>σz>σy,水力压裂时主要产生垂直裂隙,这与现场观察的裂缝形态基本吻合。3.2起裂压力和抗拉压计算依据弹性力学有关理论,煤体产生垂直裂缝的起裂压力公式是:式中:pf为煤体起裂压力,MPa;σh最小水平应力,MPa;σH为最大水平应力,MPa;σz为垂直应力,MPa;p孔隙为孔隙压力,MPa,取该处的静液压力;α为孔隙弹性系数,无量纲,其值与煤体孔隙度成正比,这里取α=0.5;T为煤体抗拉强度,MPa,大平矿为全层构造煤煤质松软,取T=1MPa;μ为煤体的泊松比,取0.4。将参数取值带入公式(2)和公式(3),计算起裂压力理论值为14.418MPa。该数据比现场试验的最高泵压小了5MPa,分析原因可能是压裂过程中的管路摩阻及重力摩阻造成的。因此,根据上述公式计算的起裂压力准确度较高,与现场试验的泵压也是基本相符的,可以据此计算煤体起裂压力,并为相似地质条件下特别是相似构造条件下的矿井提供理论指导。4采动覆岩裂增透能力1)根据豫西“三软”煤层水力压裂实际情况,当瓦斯浓度降至30%时,采取2次压裂的方法可以明显提高瓦斯抽采率。2)水力压裂增透措施使得钻孔瓦斯抽采浓度提