义煤集团公司矿井水力压裂技术
实施方案
义煤集团公司
二00九年五月八日
义煤集团公司水力压裂技术实施方案
义煤集团公司现有5对突出矿井，主要煤层二1煤赋存极不稳定，全层未构造煤，透气性差，煤质松软，打钻成孔困难，预抽效果差，瓦斯治理难度大、治理任务艰巨。
中部义马煤田的5对矿井为集团公司骨干矿井，主采煤层为侏罗纪长焰煤，煤质硬脆，厚度大，其顶板为巨厚砾岩层，随着开采深度增加，矿井冲击地压危险性增大，且属于容易自燃发火煤层，煤层自然发火期15—30天，最短7天。
定向高压水力压裂技术在煤矿中的尝试应用，取得了初步的成效。
为进一步提高突出矿井瓦斯抽采效果，搞好煤与瓦斯突出防治工作；利用水力压裂技术为中部矿井的冲击地压防治增加新的技术手段和开辟新的预防途径；在防治煤层自燃发火和综合防尘方面，也会带来明显的效果。
为加快井下水力压裂技术的推广范围和扩大应用力度，使水力压裂技术在义煤集团全面推进，特制定本实施方案。
一、水力压裂技术机理简介
井下压裂的基本原理与地面煤层气井压裂相同，即将压裂液高压注入煤（或岩）体中原有的和压裂后出现的裂缝内，克服最小主应力和煤岩体的破裂压力，扩宽并伸展和沟通这些裂缝，进而在煤中产生更多的次生裂隙，从而增加煤层的透气性以便于进行瓦斯气体的抽
放；在高压水的作用下，利用人造裂缝与裂隙的通道进行煤体的湿润，从而达到软化煤体、进行煤体卸压的目的。
压裂液具有不可压缩性，其在煤层中的流动压裂过程是有一定顺序的，即由张开度比较大的层理或切割裂隙等一级弱面开始，而后是二级裂隙弱面，依次下去，直到煤层的原生微裂隙；压裂液的压裂分解作用是通过水在裂隙弱面内对壁面产生内压作用下，导致裂隙弱面发生扩展、延伸以至相互之间发生联接贯通，形成了相互交织的贯通裂隙网络，从而达到了提高煤层渗透率，增加钻孔瓦斯抽出率的目的。
见压裂裂缝网络示意图1
图1 压裂裂缝网络示意图
压裂设备系统主要由压裂泵、混砂装置、水箱、指挥舱、高压管路、实时监测记录系统等组成。
压裂设备系统主要由压裂泵、混砂装置、水箱、指挥舱、高压管
路、实时监测记录系统等组成。
见压裂设备连接流程示意图2和压裂系统布置示意图3 混砂装置添加剂
支撑剂避灾指挥舱
储液罐
压
裂
泵
组
压裂孔
图2 压裂设备连接流程示意图
专用封孔器
高压管线注
水
泵
水 箱卸压阀
水表
压力表
连接管水管
图3 压裂系统布置示意图
二、河南省井下水力压裂技术试验情况
1、河南省煤层气开发利用有限公司试验情况
该公司针对省突出煤层极难抽采的情况进行了区域瓦斯治理研
究工作，借鉴地面油气井压裂施工经验，对煤层的物性特征和煤矿井下压裂前后煤体应力状态进行分析研究，把增透消突作为研究目标，提高抽采率和缩短预抽时间作为研究重点，系统进行煤矿井下定向压裂增透消突成套技术研究。
2008年10月以来在平煤集团、鹤煤集团和郑煤集团等矿区进行多次工业性试验，试验表明：在改善松软煤层的透气性、延长有效抽采时间、提高瓦斯抽采量、消除煤与瓦斯突出和冲击地压危险性、采掘过程中的粉尘防治、阻止煤层自然发火等方面取得了一定效果。
2、义煤集团新义矿水力压裂技术初步试验情况
3月20日—4月6日省煤层气公司、瓦斯研究所和新义矿联合在11041工作面轨道运输顺槽进行水力压裂试验，初步试验情况如下：于3月20日开始施工两个压裂钻孔(7#﹑9#)和一个观察孔，孔径φ70mm，压裂孔孔深22.2m和26m，封孔深度20m，封孔器长度10m，3月23日正式开始压裂，压裂过程中从小到大，最大注水压力25Mpa,最大注水流量0.37m3/min。
压裂结束后,于3月26日施工了7个抽放孔对压裂效果进行检验。
压裂实验效果分析：
1）压裂后现场情况
压裂后，现场压裂缝沿巷道掘进方向向上延伸15m，向下延伸20m，裂缝宽度最大宽达20mm，平均宽度10mm左右，压裂孔所在的巷帮出现破裂，岩体外移30mm。
2）压裂后抽放参数分析
1#、2#、3#孔在9#压裂孔影响范围内，4#、5#、6#孔在7#压裂孔影响范围内，8#孔在压裂影响范围之外。
从3月30日到4月6日21小班统计共抽瓦斯5435.341m3，抽放参数如下表：
通过压裂，煤层的透气性得到增大，单孔抽放浓度、抽放量大幅度提高，单孔平均抽放量增加13—117倍，平均增加87倍。
如：1#孔单孔抽放量达3765.066m3，是压裂区外8#孔抽放量的近117倍；2#孔抽放量约为8#孔的13.1倍，说明压裂实验预期效果明显。
三、水力压裂技术实施方案
根据集团公司新安、义马煤田的不同治理重点、不同矿井及不同矿井不同区域的特点，结合矿井采掘部署的实际情况，体现以点带面、点面结合、稳步实施、总体推进的思路，集团公司水力压裂技术实施分三个阶段：
第一阶段：选点实验阶段，时间为2009年5---8月
1、集团公司、矿井制定水力压裂技术实施方案。
2、在防突出、防瓦斯方面新义、孟津矿为试点矿；在冲击地压防治方面千秋、跃进矿为水力压裂技术实点矿。
3、宣传、发动，提高矿井对水力压裂技术重要性的认识。
4、由集团公司组织召开三次现场经验交流会，可聘请院校、省煤层气公司专家参加，分别在新义、千秋、孟津矿召开，总结实验结果，查找存在问题，相互学习、交流。
5、水力压裂技术研究立项为2009年重点科研项目。
第二阶段：稳步推进阶段，时间为2009年9---12月
1、全面、详细总结、评价第一阶段4对矿井水力压裂试验结果，得出有关基础数据和参数的对比情况，分析试验效果。
2、新义、孟津矿在采、掘面及顶或底板岩巷、石门揭煤头等地点全面推广实施，千秋、跃进矿推广到各冲击地压危险的采掘面。
3、其它6对矿井根据各自实施方案和采掘实际情况，选择采掘面进行试验。
4、矿井之间相互交流、学习，要求不断培养矿井自己的水力压裂试验队伍。
5、总结、制定出义煤集团公司水力压裂技术操作规范、技术标准、安全措施等。
6、科研项目总结，申报省、国家奖项。
第三阶段：全面实施阶段，时间为2010年1---12月
10对矿井水力压裂技术在防突、防冲、防尘、防火及快速掘进、快速揭煤方面的全面实施。
四、主要水力压裂技术工程项目安排及设备、资金需求
（一）主要水力压裂技术工程项目安排
1、第一阶段水力压裂技术主要工程项目安排：
新义矿：11041工作面高位抽排巷、11011轨道顺槽、11011回采工作面
千秋矿：21141工作面下巷
孟津矿：11011轨道顺槽、11011皮带顺槽
跃进矿：23130工作面下巷
2、2009年9—12月，水力压裂技术主要工程项目安排：
新义、孟津、千秋、跃进矿各施工的采掘地点全面实施水力压裂技术。
新安矿：14211工作面下巷底板巷
义安矿：FX002工作面、11052工作面皮带顺槽
李沟矿：20131工作面
耿村矿：13190工作面上巷
常村矿：2113工作面
杨村矿：D13131工作面
3、2010年水力压裂技术工程项目安排：
10对矿井的采掘地点全面实施水力压裂技术。
工程项目安排详见下表。
（二）设备、材料及资金需求
根据水力压裂技术实施方案，共需水力压裂设备32套，所需资金4160万元。
第一阶段。
购买设备4套，预算520万元，为新义、孟津、千秋、跃进矿各配备1套水力压裂设备。
第二阶段。
购买设备10套，预算1300万元，为新义、孟津、千秋、跃进矿各增加1套水力压裂设备，为新安、义安、李沟、耿村、常村、杨村各配备1套水力压裂设备。
第三阶段。
购买设备18套，预算2340万元，为10对矿井配备。
设备、材料及资金需求详见下表。
五、保障措施
1、集团公司成立水力压裂技术实施领导小组。
组长：武予鲁翟源涛
副组长：田富军李建新乔国厚
成员：李国旗裴昌合张帮雄段铁管马跃强荆宏民潘锋刘军崔晓辉及新义、新安、义安、孟津、李沟、千秋、耿村、常村、跃进、杨村矿矿长和总工程师。
办公室设在通风处、瓦斯研究所和矿压研究所，裴昌合、潘锋和刘军分别任办公室主任。
防自燃、防尘水力压裂技术实施由通风处负责；防瓦斯、防突水力压裂技术实施由瓦斯研究所负责；防冲击地压水力压裂技术实施由矿压研究所负责。
主要职责：
1、负责制定煤层压裂技术实施方案、严格管理、严格考核。
2、负责煤层压裂技术的整体规划、部署和工作安排。
3、负责、督促矿井煤层压裂技术工程按计划实施。
4、协调矿井煤层压裂技术所需资金、设备供修、确保压裂技术工程按计划保质保量完成。
2、设备、资金保障
凡列入煤层水力压裂技术实施方案的设备、资金需求，由发展规划处按月安排资金计划。
企管部、物资供应公司实施设备、材料招标采购，属放权、合资矿井按批复计划自行招标采购。