王永革，令狐建設(shè)

(陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

煤與瓦斯突出是煤礦生產(chǎn)過程中對(duì)礦井安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅的災(zāi)害之一，其多發(fā)于煤巷掘進(jìn)、井巷揭煤工作面，統(tǒng)計(jì)表明：煤巷掘進(jìn)工作面突出次數(shù)最多，井巷揭煤工作面突出強(qiáng)度最大。與井下石門、斜巷揭煤相比，立井揭煤由于其受施工場(chǎng)地的限制，煤與瓦斯突出防治工作具有更多的特殊性和危險(xiǎn)性[1]。自《煤與瓦斯突出防治規(guī)定》(2009)頒布實(shí)施以來，在區(qū)域、局部?jī)蓚€(gè)“四位一體”綜合防突措施條件下，通過施工大量的鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，能夠保證井巷的安全掘進(jìn)和順利揭煤，但其瓦斯治理時(shí)間長(zhǎng)、工序復(fù)雜，嚴(yán)重制約井筒施工進(jìn)度。近些年來，諸多突出礦井采用預(yù)裂爆破、水力沖孔等增透手段[2-8]，提高其瓦斯抽采效率，在一定程度上緩解了揭開突出煤層工期較長(zhǎng)的難題，但對(duì)于具有瓦斯含量大、滲透性差等特點(diǎn)的煤層群，揭煤期間防突工作仍然繁重。

實(shí)踐表明，地面井預(yù)抽煤層瓦斯是礦井瓦斯治理的一種行之有效的措施，并已在大量礦區(qū)進(jìn)行了成功試驗(yàn)和應(yīng)用[9-12]，尤其是輔以大液量水砂壓裂增透技術(shù)，通過提前施工地面井對(duì)突出煤層(群)進(jìn)行預(yù)抽，換取時(shí)間、空間上的優(yōu)勢(shì)，為井筒快速揭開突出煤層提供了可行的技術(shù)途徑。

1 工程概況

西上莊煤礦位于沁水煤田東北邊緣，陽(yáng)泉礦區(qū)南部，埋深較大，礦井按照煤與瓦斯突出礦井設(shè)計(jì)，可采煤層共7層，自上而下分別為3、6、8、9、12、15、15下號(hào)煤層，屬煤層群開采。主立井井筒設(shè)計(jì)直徑8.2 m，凈斷面積52.8 m2，垂深680 m，揭穿煤系地層后與 15下號(hào)煤層底板巖層中的大巷貫通，將揭露所有煤層，井筒檢查孔測(cè)試3、6、8、9、12、15、15下號(hào)煤層瓦斯含量為13.57～17.15 m3/t，總體呈現(xiàn)瓦斯含量大、瓦斯壓力高、滲透性系數(shù)低等特點(diǎn)。

2 井位選擇及井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 井位選擇

地面壓裂井井位的選擇應(yīng)當(dāng)考慮煤層地應(yīng)力方向和水力壓裂影響半徑，確保壓裂裂縫擴(kuò)展到設(shè)計(jì)主立井井筒揭煤區(qū)域，將瓦斯驅(qū)替的同時(shí)增加該區(qū)域煤層透氣性，以便于壓裂增透后的瓦斯抽采，進(jìn)而降低揭煤區(qū)域瓦斯含量。

水力壓裂時(shí)煤層裂縫的延展方向取決于地應(yīng)力中水平主應(yīng)力的大小與方向，裂縫總是產(chǎn)生于強(qiáng)度最弱、拉應(yīng)力最小的地方且沿最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展[13-14]，這是井位設(shè)計(jì)的控制性因素。礦井水平最大主應(yīng)力方向?yàn)楸睎|向19.8°～50.9°。處于同一煤田的平舒礦近期4口煤層氣井采用大液量(2 000 m3)、大排量壓裂工藝，裂縫短半徑長(zhǎng)度分別為50、58、60、90 m，平均64.5 m。

綜合考慮裂縫半徑與礦井地應(yīng)力方向，壓裂井XW的井位選擇有2個(gè)區(qū)域，如圖1所示。首選區(qū)域位于井筒(風(fēng)井、主井和副井)南偏西20°～50°，與井筒直線距離20～30 m內(nèi)；備選區(qū)域位于井筒(風(fēng)井、主井和副井)北偏東20°～50°，與井筒直線距離20～30 m內(nèi)。

圖1 壓裂井XW可選位置示意圖

因考慮到其他井筒的設(shè)計(jì)問題，本次井位選擇在首選區(qū)域即設(shè)計(jì)地面井XW位于主立井井筒南偏西35°，與主井直線距離25 m，與主立井井筒的連線為北東方向，其壓裂增透覆蓋區(qū)域如圖2所示。

圖2 壓裂井壓裂增透覆蓋區(qū)域

該布置方式壓裂裂縫容易穿越或影響到井筒所揭煤層區(qū)，以地面井為中心形成一個(gè)高滲區(qū)并覆蓋至井筒揭煤區(qū)域。同時(shí)在后期壓裂時(shí)需采用裂縫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和裂縫轉(zhuǎn)向技術(shù)控制裂縫的走向，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，以達(dá)到有效降低井筒揭煤過程中瓦斯突出危險(xiǎn)性、提高井筒揭煤速度的目的。

2.2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及完井

地面壓裂井井身采用兩開設(shè)計(jì)，一開井段主要以第四系黃土或二疊系上石盒子組地層為主，該井段采用坂土漿作為鉆井液，鉆至深30 m位置，下入?244.5 mm×8.94 mm×30 m表層套管，固井時(shí)水泥漿返至地面為合格。二開井段至15下號(hào)煤層以下60 m位置，全井段采用低固相鉆井液，下入?139.7 mm×7.72 mm×720 m生產(chǎn)套管，固井時(shí)水泥漿返深333.3 m為合格。

地面壓裂井人工井底位于上統(tǒng)太原組地層，上距15下號(hào)煤層60.4 m，深719.4 m，一開井段表層套管下放22.8 m，二開井段生產(chǎn)套管下放719.4 m，完井井口高度0.3 m，水泥返深243.0 m，距3號(hào)煤層頂板290.3 m，經(jīng)聲波幅度測(cè)井檢查，鉆井期間井壁完好，未出現(xiàn)井漏、垮塌現(xiàn)象。

3 壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)及施工

3.1 壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)

西上莊煤礦屬煤層群開采，由于各可采煤層均具有突出危險(xiǎn)性，因此需對(duì)每層煤進(jìn)行水砂壓裂增透。為充分利用XW地面井，使單口井壓裂效益最大化，采用自下而上分層射孔、填砂、投球分流轉(zhuǎn)向壓裂施工工藝。

壓裂施工分5段進(jìn)行，由于近距離煤層層間距過小，填砂工藝難以達(dá)到段間有效封隔的目的，因此將15、15下號(hào)煤層合為一段壓裂，12、13號(hào)煤層合為一段壓裂，8、9號(hào)煤層合為一段壓裂；3、6號(hào)煤層間距 20.5 m，滿足填砂壓裂封隔工藝要求，3、6號(hào)煤層各為一段分別進(jìn)行壓裂。壓裂液為清水，支撐劑為石英砂，壓100 m3粒徑為0.425～0.850 mm的石英砂，用于支撐較大裂縫；壓82 m3粒徑為0.212～0.425 mm的石英砂，用于支撐較小裂隙。填砂備用5 m3，每段加砂比2%～12%。射孔選用102/127槍型，90°螺旋布孔，射孔段每米16孔，全煤段射孔。壓裂注水參數(shù)如下。

1)泵注壓力

在壓裂中壓裂泵的泵注壓力pw可表示為：

pw=pk-pH+pr+pf

(1)

式中：pk為煤層破裂壓力；pH為壓裂管路液注壓力；pr為壓裂液在管路中沿程摩擦阻力；pf為壓裂液在管路末端孔眼處的摩擦阻力。

通過計(jì)算得到壓裂泵的泵注壓力pw為15～25 MPa，所選用壓裂泵的額定壓力應(yīng)大于泵注壓力pw。

2)壓裂用液量

壓裂注水量主要跟壓裂半徑、壓裂孔徑、煤層厚度及孔隙率有關(guān)，根據(jù)需要壓裂的預(yù)定影響范圍及煤巖層影響體孔隙率計(jì)算出單孔壓裂壓入水量。壓裂用液量V按下式計(jì)算：

V=π(R-r)2Hφ

(2)

式中：R為預(yù)計(jì)壓裂半徑，m；r為孔眼半徑，m；H為煤層厚度，m；φ為孔隙率，%。

經(jīng)計(jì)算得到單煤層段或者合壓煤層段注水量為500～1 000 m3，預(yù)計(jì)總注水量5 000 m3，壓裂時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況隨時(shí)調(diào)整注水量。

3.2 壓裂施工

經(jīng)通井、洗井、試壓合格后，對(duì)15、15下號(hào)煤層進(jìn)行射孔，打開套管與目標(biāo)煤層之間的壓裂通道，對(duì)15、15下合層進(jìn)行壓裂，依次注入前置液、攜砂液、頂替液共計(jì)690 m3；為保證兩層煤的壓裂效果，對(duì)合層段進(jìn)行投球，堵住部分射孔眼，使其產(chǎn)生二次裂縫，共投球38個(gè)，再次注入前置液、攜砂液、頂替液共計(jì)426.78 m3。本段壓裂加砂44.0 m3，加砂比為7.51%，施工壓力11.89～30.66 MPa，流量2.02～9.06 m3/min，待井口壓力降為0 MPa后，進(jìn)行第一次填砂，砂面距13號(hào)煤層底板5 m，距井口634 m，探砂面合格后對(duì)12、13號(hào)合層進(jìn)行壓裂施工，直至完成 3號(hào)煤層壓裂施工。煤層射孔、壓裂數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 煤層射孔、壓裂數(shù)據(jù)

3.3 地面抽采

壓裂結(jié)束后進(jìn)行通井、洗井、試壓，試壓合格后下泵對(duì)井內(nèi)瓦斯、水進(jìn)行排采。自2019年12月 6日開始，累計(jì)抽采206 d，共抽采瓦斯246 320 m3，累計(jì)排水1 867 m3，日均抽采瓦斯量1 195 m3，最高日抽采瓦斯量2 116 m3，如圖3所示。

圖3 地面井抽采瓦斯量歷史擬合曲線

從圖3可以看出，前45 d為初期排水降液面階段，抽采瓦斯量較少，液面在23 d內(nèi)陸續(xù)降至各煤層底板位置，瓦斯抽采量持續(xù)上升并穩(wěn)定在 1 100 m3/d以上，表明壓裂井一定范圍內(nèi)形成高滲區(qū)，高滲區(qū)內(nèi)裂縫發(fā)育、煤層透氣性增加，抽采效果得到大幅度提升。

4 井筒揭煤效果檢驗(yàn)

井筒檢查孔測(cè)定3號(hào)煤層原始瓦斯含量為 15.44 m3/t，地面井抽采206 d后，主井井筒已掘進(jìn)至3號(hào)煤層上方10 m處，實(shí)測(cè)3號(hào)煤層最大殘存瓦斯含量為10.46 m3/t，瓦斯含量下降了4.98 m3/t，根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》(2019)瓦斯含量指標(biāo)臨界值8 m3/t的要求，繼續(xù)實(shí)施區(qū)域、局部?jī)蓚€(gè)“四位一體”綜合防突措施?？紤]到水砂壓裂后煤層內(nèi)裂隙發(fā)育、透氣性系數(shù)增大，補(bǔ)充瓦斯抽采鉆孔36個(gè)，抽采 5 d 后累計(jì)抽采瓦斯11 703 m3，打鉆期間風(fēng)排瓦斯 1 823 m3，根據(jù)瓦斯抽排量計(jì)算得到井筒輪廓線外12 m范圍內(nèi)3號(hào)煤層殘存瓦斯含量為7.36 m3/t，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)殘存瓦斯含量降至 7.76 m3/t，同時(shí)測(cè)定鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1max值為0.21 mL/(g·min1/2)；主立井掘進(jìn)至3號(hào)煤層頂板5 m處，采用鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)，未超過《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》(2019)推薦臨界值；掘進(jìn)至3號(hào)煤層頂板2 m處，采用鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)進(jìn)行最后的驗(yàn)證，仍未超過《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》推薦臨界值。

5 井筒揭煤

在距3號(hào)煤層頂板2 m處，經(jīng)驗(yàn)證工作面無突出危險(xiǎn)后，采用遠(yuǎn)距離放炮順利揭開煤層，放炮后井筒內(nèi)瓦斯?jié)舛?CH4體積分?jǐn)?shù))最高達(dá)到1.93%，5 h后降至0.2%以下，如圖4所示。井筒風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量1 200 m3/min，期間累計(jì)涌出瓦斯約2 385 m3。最終，安全、快速地揭開了3號(hào)煤層。

圖4 放炮后井筒內(nèi)瓦斯?jié)舛茸兓闆r

經(jīng)測(cè)算，采用常規(guī)預(yù)抽方式揭穿3號(hào)煤層，預(yù)計(jì)工期需120 d(預(yù)抽鉆孔施工7 d，抽采時(shí)間93 d，掘進(jìn)、效果檢驗(yàn)20 d)；而采用該項(xiàng)技術(shù)，工期共計(jì)10 d，比常規(guī)方法提前了110 d，大大縮短了揭煤工期。

6 結(jié)語(yǔ)

通過優(yōu)選壓裂井位置，采用自下而上分層射孔、填砂、投球分流轉(zhuǎn)向壓裂施工工藝，對(duì)突出煤層群進(jìn)行水砂壓裂增加煤層透氣性，在水力驅(qū)替和增透作用下，經(jīng)過206 d的連續(xù)抽采，瓦斯含量明顯降低。揭煤工期縮短至10 d，提高了揭煤防突工作效率。該工藝技術(shù)對(duì)突出煤層群立井揭煤具有時(shí)間和空間上的優(yōu)勢(shì)，為安全、高效揭煤奠定了基礎(chǔ)，可為同類揭煤工程提供借鑒。