張文浩,王君宇,楊海鵬

(1太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024;2.山西省煤炭工業(yè)廳,太原 030012)

我國是瓦斯事故多發(fā)的國家,煤礦一旦發(fā)生瓦斯事故,往往會(huì)造成十分重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[1]。所以瓦斯的治理與預(yù)防已經(jīng)成為煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵部分。近年來有關(guān)專家針對(duì)煤礦瓦斯抽放做了很多研究,抽放效率低下是瓦斯抽放工作的難點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn),煤層卸壓對(duì)提高煤層滲透率,增進(jìn)瓦斯運(yùn)移有著重要的影響。卸壓增透對(duì)提高煤層瓦斯抽采起到積極的促進(jìn)作用,也是治理煤與瓦斯突出的有效手段[2-6]。

寺河礦西區(qū)的煤層經(jīng)過鑒定為煤與瓦斯突出煤層,在煤層下方進(jìn)行巖巷掘進(jìn)時(shí),會(huì)涌出較大的瓦斯,已經(jīng)嚴(yán)重影響到了正常的巷道掘進(jìn)工作,所以瓦斯治理工作急需進(jìn)行。結(jié)合寺河礦的地質(zhì)條件決定在寺河礦進(jìn)行煤層注水實(shí)驗(yàn)。煤層水壓壓裂是不同于傳統(tǒng)的煤層注水的方法,煤層注水是利用鉆孔像煤層中注水,通常是通過浸潤的方式使得煤層濕潤,而煤層水壓壓裂是通過高壓水作用在煤層上,從而產(chǎn)生細(xì)小裂紋,然后逐漸擴(kuò)展成宏觀裂紋最終破裂的施工工藝。煤層水壓壓裂可以降低煤層強(qiáng)度,增大煤層透氣性。

1 寺河礦西區(qū)煤層概況

本區(qū)煤層為3#煤層,煤層厚度6 m左右,埋深360 m左右,滲透率平均2.96 md,儲(chǔ)層壓力約2 MPa。在煤層下方約10.5 m進(jìn)行巖巷掘進(jìn)時(shí),涌出較大的瓦斯,已嚴(yán)重影響巷道掘進(jìn)工作。寺河礦西井區(qū)設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為4.0 Mt/a,西井區(qū)平均日產(chǎn)量為12 121 t?；夭擅簩訛?號(hào)煤層,采用長壁大采高工作面采煤工藝,綜采工作面回采率約為93%,西井區(qū)達(dá)到生產(chǎn)能力時(shí)共布置1個(gè)盤區(qū)1個(gè)長壁大采高工作面,井下共配備2個(gè)綜掘工作面(煤巷)和2個(gè)普掘工作面(巖巷)保證回采工作面接替。

2 壓裂增透實(shí)驗(yàn)

根據(jù)寺河礦西區(qū)的實(shí)際情況,結(jié)合地面預(yù)抽井的情況,確定在YH-056井進(jìn)行布置油管壓裂,地面井定向擴(kuò)容壓裂。地面井定向擴(kuò)容壓裂井下強(qiáng)化抽采示意圖,見圖1。鉆孔施工設(shè)計(jì)：1)井下先從底板巖巷施工直徑為Φ96 mm的定向鉆孔，鉆孔開始在穩(wěn)定巖層內(nèi)延伸65 m。2)井下先從底板巖巷施工直徑為Φ153 mm的定向鉆孔，鉆孔開始在穩(wěn)定巖層內(nèi)延伸65 m。3)巖孔鉆至設(shè)計(jì)孔深時(shí)退出鉆具，用Φ193 mm鉆頭擴(kuò)孔6 m，下入10 m的Φ153 mm鋼套管封孔。4)用Φ96 mm鉆頭，采用定向鉆井工藝鉆孔，鉆孔在煤層中延伸100 m。5)退鉆，下入60 m長的Φ89 mm油管，并進(jìn)行封孔。壓裂液的配方為清水+0.05% ALD-608+0.05% XLD-108+0.5%KCl。壓裂時(shí)先采用小排量1～2 m3/min，隨后提高壓力到15 Mpa，無明顯異常后將排量增到3.5 m3/min后結(jié)束壓裂作業(yè)。

根據(jù)所需考察的煤層瓦斯賦存特征,在水力壓裂影響區(qū)域煤層布置4組不同間距的穿層瓦斯預(yù)抽鉆孔,與未進(jìn)行水力壓裂區(qū)域煤層的穿層瓦斯預(yù)抽鉆孔的預(yù)抽效果進(jìn)行對(duì)比。

圖1 地面井定向擴(kuò)容壓裂井下強(qiáng)化抽采示意Fig.1 Diagram of enhanced gas drainage of directional dilation fracturing in ground well

2.1 壓裂孔抽采情況

在完成鉆孔后進(jìn)行了為期385 d的抽采作業(yè),平均抽采量為4.4 m3/min,最高抽采量為8.8 m3/min,平均抽采濃度為60.2%,最高抽采濃度為92%。壓裂瓦斯抽采量及瓦斯?jié)舛?見圖2。

圖2 壓裂瓦斯抽采量及瓦斯?jié)舛菷ig.2 Fracturing gas drainage and concentration

由圖2可以看出,在抽采前期的抽采量和抽采瓦斯?jié)舛惹€較為穩(wěn)定,前八個(gè)月中瓦斯的平均抽采量為5.7 m3/min,平均抽采濃度為75.6%。在抽采后期,曲線有明顯下降的趨勢(shì),這表明抽采量與抽采瓦斯的濃度顯著降低,這是由于在采期間該區(qū)域內(nèi)施工了較多的普通抽采孔和千米抽采孔。最后瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞恐饾u降到0，頂煤巷道貫穿了壓裂孔。

圖3 千米孔1抽采數(shù)據(jù)分析Fig.3 Gas extraction data analysis of kilometer drilling 1

圖4 千米孔2抽采數(shù)據(jù)分析Fig.4 Gas extraction data analysis of kilometer drilling 2

圖3和圖4分別為西三集中回風(fēng)巷(與壓裂位置同一巷道)的兩個(gè)千米孔的抽采數(shù)據(jù),從數(shù)據(jù)可以的得出千米孔的瓦斯百米抽采量的平均值僅為1.1 m3/min。在使用水力壓裂的煤層段(長約100 m),抽采瓦斯的平均量為4.4 m3/min,抽采量明顯大于普通鉆孔,這說明壓裂取得了良好的增透效果,起到了提高瓦斯抽采量的作用,降低了煤層中的瓦斯含量。

2.2 考察孔的抽采情況

根據(jù)制訂的考察孔布置設(shè)計(jì),布置的考查鉆孔抽采情況見圖5，鉆場(chǎng)考察鉆孔的抽采情況。由圖5可知,單孔最大抽采瓦斯純量為1.3 m3/min,最高抽采瓦斯?jié)舛葹?6%,平均抽采純量為0.87 m3/min,平均抽采瓦斯?jié)舛葹?0%,從已觀測(cè)到的壓裂后瓦斯含量數(shù)據(jù)顯示,壓裂后壓裂孔70 m范圍的瓦斯含量平均為7.87 m3/t,與未壓裂前比較降低了31.2%。

圖5 鉆場(chǎng)考察鉆孔的抽采情況Fig.5 Gas drainage of inspecting boreholes

3 結(jié)束語

經(jīng)過壓裂后的抽采實(shí)驗(yàn),累計(jì)瓦斯抽采純量達(dá)到了2.439 4×106m3,最高抽采瓦斯純量8.8 m3/min,平均抽采瓦斯純量4.4m3/min,最高抽采濃度92%,平均抽采濃度為60.2%。與壓裂位置同一巷道千米孔的抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,可以看出壓裂孔的瓦斯抽采量明顯高于普通千米孔,說明壓裂實(shí)驗(yàn)取得了顯著的效果,有效的增加了煤層的透氣性,提高了瓦斯抽采量,為煤礦安全回采提供了保障。