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瓦斯抽采中水力压裂增透技术的应用
作者：赵道洪
来源：《西部资源》2018年第01期
摘要：近年来，水力压裂增透技术发展迅速，并被广泛应用于瓦斯抽采中。文章首先对我国瓦斯抽采现状和水力压裂增透技术原理进行了介绍，并结合工程实例，对水力压裂增透技术在瓦斯抽采中的应用方式进行了详细探究，以期促进该项技术的发展和应用。 关键词：瓦斯抽采；水力压裂试验；水力割缝技术 1.瓦斯抽采现状
在瓦斯抽采过程中，煤层赋存条件、煤层硬度、地质构造、煤的破坏类型、埋藏深度等因素都会在一定程度上影响煤层透气性，进而影响瓦斯抽采的顺利进行，如果煤层透气性较高，则抽采效果也会得到有效提升。但是，我国很多煤层一般为低渗透煤层，因此瓦斯抽采难度较大。对此，在瓦斯抽采过程中，应注意适当扩大煤层裂隙范围和密度，提升煤层透气性，这样才能够保证瓦斯抽采效果。现如今，常见的煤层强化增透技术主要有深孔控制预裂爆破技术、水力压裂增透、CO2预裂增透、水力扩孔以及水力割缝技术等。 2.水力压裂增透技术原理概述 2.1裂缝起裂原理
在水力压裂技术的实际应用中，首先对煤层钻孔，然后通过钻孔将流体压人至煤层中，在此过程中，需对液体压人速度进行观察，如果液体的压人时间明显大于煤层的吸水速度，则流动性也会所有增加，液体不断流入煤层中，与此同时，液体压力增加，当液体压力大于煤层岩压时，煤层裂隙就会产生挤压作用，保证煤层流通性。与此同时，煤层渗透性也会随之增加裂隙宽度增加，能够有效促进煤层瓦斯的流动，为瓦斯抽采提供有力条件。 2.2裂缝延伸原理
在向弱面充水空间注水时，在注水泵的作用下，会产生一定的压力，即注水压力。另外，在煤层孔隙的润湿作用以及毛细作用下，会损失一部分注水压力，这一部分损失的压力就被称为滤失压力。如果注水压力大于滤失压力，就会造成水流人煤层裂隙系统中，水流混合煤粒，就会形成封堵带，在这种情况下，一级弱裂面压力逐渐升高，这样就会造成煤层裂隙扩大，导致封堵作用受到削弱，随着煤粒逐渐向四周扩散，就会形成二次封堵。 2.3压裂增透原理
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压力水进入煤层的顺序分别为一级弱面、二级裂隙弱面以及原生微裂隙，在裂隙弱面，压力水会对避免产生压力作用，这样就会造成煤层裂隙延伸，裂隙宽度增加，各个裂隙弱面相互贯通，从而形成纵横交错的贯通裂隙网络，煤层渗透率得到有效提升。 3.工程概况
某煤矿为突出型矿井，在矿井开采中，主要采K1煤层，煤层厚度约为3.5m，倾角在25°～30°之间。通过对K1煤层进行现场勘察发现，该煤层埋深在507m～626m之间，K1煤层瓦斯含量26.5m3/t，瓦斯压力位3.4MPa，煤层透气性系数（0.902M.700）×10-2m2/
（MPa2·d），钻孔瓦斯流量衰减系数为0.1933～0.5636d-1，煤层硬度较小，透气性比较差，因此煤层瓦斯抽采难度较大。在该突出矿井开采过程中，事故发生率较高。综合考虑工程实际情况，在瓦斯抽采中，对于硬度较小且透气性较差的煤层，可采用水力压裂增透技术。本次试验目标为，通过采用水力压裂增透技术，促进煤层裂隙宽度增加，提升煤层透气性，为瓦斯开采提供有利条件。
4.瓦斯抽采中水力压裂增透技术的应用 4.1水力压裂试验 4.1.1水力压裂设备及仪表
在水力压裂增透技术的实际应用中，乳化液泵是十分重要的设备，乳化液泵额定压力31.5MPa、最大排量为160L/min。在压裂泵中还需安装水表、压力表、阀门等，对设备运行情况进行有效控制，同时在对煤层注水时，需对注水压力进行观测，对此可应用直感耐震压力表。在本次技术试验中，压力表量程为60MPa。水力压裂增透系统主要由水箱、压力表、压裂泵、管路、监控系统所组成。 4.1.2压裂钻孔布置及施工
在2014年7月14日，通过资料对比分析及实施钻孔工程位置，煤点埋深在500m～510m，在底板瓦斯抽采巷与变坡点距离50m的位置实施钻孔，钻孔间距30m，钻孔孔直径（φ89mm，钻孔角为128°，钻孔与巷道轴线之间的夹角为90°，钻孔倾角45°，布置钻孔3个，压裂钻孔位于中部，两侧为观测测压孔。本次水力压裂测试长度为35.5m。 4.1.3压裂钻孔封孔及注水
2014年7月15日，对压裂钻孔及试验测试孔进行封闭。压裂钻孔封孔深度15m，采用“两堵一注”封孔工艺，水力浆带压封孔。测试钻孔在封孔施工中，首先在孔口段位置采用马丽散进行封孔，封孔长度在1.0m～1.5m之间，以封孔长度为依据，对封孔所需水泥浆体积进行计算，然后通过注浆管，将水泥浆注入钻孔中，封孔保持24h，然后安装煤气表，对钻孔位置瓦斯流量进行监测。8月13日，对水力压裂测试钻孔进行注水，在注水过程中，对观测点是否
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发生渗漏现象进行观测，当持续注水5h后，在距测试空50m位置发现观测孔开始出现滴水现象，随着注水的持续进行，滴水量逐渐增加。根据压力表测试，将注水压力在7.8MPa左右时，关闭闸阀，停止注水。在本次水力压裂试验中，注水时间为5h，注水量约为55m3，注水压力为18MPa。在该煤层注水试验过程中，由于受到供水量因素的影响，注水环节出现多次中断，通过对第一次注水过程以及注水压力进行观测，分析可知，在压裂的初始阶段，水压致裂压力逐渐增加，随着压裂的持续进行，压力增加速度增长放缓。通过对注水压力进行监测发现，在进行煤层注水过程中，注水压力在15MPa（～18MPa之间，注水停止后，液体压力逐渐降低。通过多次注水，水压逐渐增加。在该煤层中，当注水压力达到18MPa后，水压不再增加。在水力压裂增透试验中，注水压力是十分重要的技术参数，适宜的注水压力能有效促进煤层松动，促进煤层裂隙宽度的增加，改善煤层结构。
本次煤层水力压裂增透试验中，煤层破裂压力的预估值为16.8MPa，但在注水过程中，部分注水压力损失，因此，注水压力实际值应该略大于16.8MPa。而通过本次试验研究，实际注水压力位18MPa，符合预估要求。 4.2水力压裂效果分析
8月14日下午，打开闸门防水，本次防水持续时间为9h，放水完成后，安装煤气表，对钻孔瓦斯流量进行监测，瓦斯体积分数100%。在对孔压裂情况进行测试后，自然排放瓦斯，在此过程中，采用煤气表对瓦斯排放量进行监测。通过监测发现，最大自排瓦斯流量为0.07m3/min，平均0.04m3/min，累计排放瓦斯量991m3。随着瓦斯排放时间的增加，瓦斯流量实际情况如图2所示。
通过对图2进行分析可知，在压裂水的排放过程中，煤层裂隙宽度逐渐增加，有利于瓦斯抽采。通过对瓦斯流量进行监测发现，在钻孔位置，瓦斯流量逐渐增加，最大流量值为0.07m3/min。煤层压裂增透试验完成后，对钻孔进行封孔处理，封孔第七天后，瓦斯流量已经降低至最低值，瓦斯平均流量为0.00034m3/min。根据本次压裂试验，煤层透气性显著改善，在注水过程中，钻孔用水量逐渐增加。 5.结束语
综上所述，在瓦斯抽采过程中，煤层透气性会直接影响抽采效果。部分煤层裂隙较小，硬度、透气性比较差，导致瓦斯应力无法得到释放。对此，可以采用水力压裂增透技术，扩大煤层间隙，提升煤层透气性，释放瓦斯压力，降低工作面瓦斯含量，这样不仅能够有效提升瓦斯抽采纯量，同时还能够促进掘进效率的提升，值得推广应用。