耿增達,趙紅星
(山西煤炭運銷集團長治有限公司,山西 長治 046000)
山西馬堡煤業(yè)有限公司(簡稱馬堡礦)位于武鄉(xiāng)縣城東北53km處墨鐙鄉(xiāng)馬堡村,隸屬于山西煤炭運銷集團長治有限公司,生產(chǎn)能力為1.5Mt/a,屬高瓦斯礦井,主采8#、9#、15#煤層。15108綜放工作面位于井田15#煤層一采區(qū),走向長度1627m,傾向長度180m。經(jīng)實測15108綜放工作面煤層瓦斯含量為10m3/t左右,現(xiàn)有瓦斯抽采措施抽采效果差,造成生產(chǎn)過程中回風(fēng)流瓦斯?jié)舛瘸?,為此,設(shè)計在15108回采工作面開展高壓水力壓裂增透試驗提高瓦斯抽采率。
煤層水力壓裂增透就是將一定流量的高壓水注入煤層中,煤層在水壓作用下產(chǎn)生并裂隙并發(fā)育變寬變長,使煤體滲透系數(shù)不斷加大,提高媒體透氣性,從而提高瓦斯抽采效果。水力壓裂增透的物理原理可簡要概括為:高壓水注入煤層借助流體水在煤層各種弱面內(nèi)對弱面兩壁面的支撐作用使煤層內(nèi)部弱面張開、擴展和延伸,從而形成內(nèi)部分割,分割不但增加了裂隙等弱面的體積,而且使裂隙延伸從而增加了裂隙之間的連通,最終形成一個相互交織的多裂隙貫通網(wǎng)絡(luò)[1-6]。
2.2.1 水力壓裂試驗地點
水力壓裂增透技術(shù)試驗地點選取15108工作面回風(fēng)順槽。
2.2.2 水力壓裂鉆孔布置及封孔
根據(jù)15108回采工作面煤層特點,施工鉆孔4個,其中包括檢驗孔2個,壓裂孔2個。鉆孔布置如圖2-2所示,鉆孔參數(shù)為:鉆孔直徑113mm,開孔高度1m,傾角1°,與巷道夾角90°,鉆孔長度50m。
完成鉆孔施工后立即進行封孔,檢驗孔采用φ65阻燃抗靜電PVC管和專用封孔材料封孔,封孔深度8m。壓裂孔采用橡膠注水封孔器連接φ32加厚無縫鋼管,無縫鋼管每根2m,采用螺紋連接,采用專業(yè)封孔材料封孔,封孔長度20m。封孔后將各孔連接抽采管路并安裝孔板流量計,每天觀測鉆孔瓦斯?jié)舛群土髁?,連續(xù)觀測5天,并做好記錄。
2.2.3 水力壓裂設(shè)備及儀表
選用額定壓力為31.5MPa,最大排量為300L/min的乳化液泵。為便于操作和控制,壓裂泵安裝有壓力表、水表及卸壓閥門等附件,采用直感耐震壓力表對注水壓力進行觀測。此次試驗的壓裂泵上和注水管上配備的壓力表量程均為 60MPa。
2.2.4 水力壓裂實驗過程
(1)準(zhǔn)備工作就緒后開始對4#孔進行壓裂作業(yè),初始壓力為5MPa,然后逐步提升壓力,當(dāng)發(fā)現(xiàn)3#觀測孔出現(xiàn)滴水現(xiàn)象并有逐漸增大趨勢,注水壓力迅速降低至4MPa左右,隨即停泵并關(guān)閉閘閥結(jié)束注水,試驗最高注水壓力為16 MPa,累計注水時間14min,注水量4.2m 左右。
(2)同上述步驟依次對2#壓裂孔進行注水作業(yè),最高注水壓力達到13 MPa時,水壓開始驟降至3MPa,累計注水時間13min,注水量3.9m 左右。通過觀察發(fā)現(xiàn),壓裂孔封孔處有水流出,而觀測孔沒有水流出,說明壓裂孔封孔沒有達到強度要求,2#孔注水壓裂失敗。由數(shù)據(jù)可知:15108綜放工作面水力壓裂實驗煤層破裂壓力為16 MPa左右,壓裂半徑大于4m。
打開閘閥開始放水,放水 6小時候后將3#、4#孔分別連接至瓦斯抽采管路并安裝孔板流量計,每天測量單孔瓦斯抽采濃度和流量。連續(xù)觀測15天,并整理數(shù)據(jù)可知:3#觀測孔封孔后瓦斯抽采純量為0.0142m /min,濃度最大為9.4%;壓裂前抽采純量為0.0081 m /min,濃度為8.5%,平均瓦斯抽采純量為0.01 m /min。壓裂后最大抽采純量為0.043 m /min,最大抽采濃度為18.2%;最小抽采純量為0.0161 m /min,最小抽采濃度為12.1%。壓裂后平均瓦斯抽采純量為0.0211 m /min,15天內(nèi)累計抽采瓦斯455.76 m 。
4#壓裂孔封孔后瓦斯抽采純量為0.0153m /min,濃度為10.2%;壓裂前抽采濃度為7.6%,抽采純量為0.007 m /min,平均抽采純量為0.009 m /min。壓裂后最大抽采純量為0.0578 m /min,最大抽采濃度為26.8%;最小抽采純量為0.0188 m /min,最小抽采濃度為14.4%。壓裂后平均瓦斯抽采純量為0.0274m /min,15天內(nèi)累計抽采瓦斯591.84 m 。
水力壓裂結(jié)束后3#觀測孔和4#壓裂孔瓦斯抽采濃度隨時間變化曲線如圖1所示,瓦斯抽采純量隨時間變化曲線如圖2所示。
圖1 鉆孔抽采濃度變化曲線
圖2 鉆孔抽采純量變化曲線
由圖2可知,壓裂結(jié)束當(dāng)天為瓦斯抽采量最大值, 3#孔抽采純量達到0.043 m /min,4#孔瓦斯抽采純量達到0.0578 m /min。瓦斯抽采量隨時間變化而漸低,15天后3#孔抽采量穩(wěn)定在0.016 m /min左右,4#孔抽采量穩(wěn)定在0.019m /min左右。期間瓦斯抽采量有波動現(xiàn)象,原因是壓裂注入煤層的水自然排出,煤層裂隙舒展,形成瓦斯流動通道,使瓦斯抽采量增大。
根據(jù)對數(shù)據(jù)的分析可知,3#觀測孔水力壓裂前后最大瓦斯抽采量增大了約3倍,平均瓦斯抽采量增大了約2.1倍;4#壓裂孔注水壓裂前后最大瓦斯抽采量 增大了約3.8倍,平均瓦斯抽采量增大了約3倍。根據(jù)壓裂時觀測孔有水涌出現(xiàn)象得知,水力壓裂鉆孔在煤層走向上的壓裂半徑大于4m。
(1)15108工作面煤層注水壓力為16MPa時,水力壓裂鉆孔在煤層走向方向上的影響半徑超過4m。
(2)壓裂前后鉆孔最大瓦斯抽采流量增大3倍以上,平均流量增大2倍以上,大幅提高了煤層透氣性和鉆孔瓦斯抽采效果,縮短了抽采周期。
(3)壓裂后增加煤層瓦斯抽采半徑4倍以上,鉆孔施工間距同時可增加四倍以上,大幅降低了鉆孔施工量。
(4)鉆孔水力壓裂后,通過瓦斯抽排,降低了其影響范圍內(nèi)的煤層瓦斯含量、瓦斯壓力,改變了煤體內(nèi)部應(yīng)力分布,可以在一定程度上降低或消除突出隱患。
(5)壓裂后煤體內(nèi)水分增加,可以降低采掘過程中的煤塵產(chǎn)生量,改善井下作業(yè)環(huán)境。
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