抗拉强度σbr （MPa） σbr⊥ σbr∥
0.5
0.1
10.8 13.5
0.25
5.00
高压水对不同煤体结构力学作用
高压水注入煤层中存在两种情况，一种是进入具有弹性的原生结构煤和碎 裂煤，一种是进入塑性的碎粒煤和糜棱煤。 ① 弹性阶段煤体水力压裂 高压水进入此类煤体时，压裂过程可描述为“压裂—充水张开—再压裂— 再充水张开……”。
水力压裂提出的背景
4 煤层气开发与瓦斯治理的现状并不乐观 1）煤层气技术现状
对于非突出煤：
◆少数地区实现了局部商业化开发； ◆而支撑整个煤层气行业的是地面垂直井压裂完井工艺； ◆可以实现水力压裂强化增透抽采
对于突出煤：
地面煤层气开发的禁区、井下瓦斯产出的低效率区
◆地面煤层气裸眼洞穴法完井
一井多用技术
②塑性阶段煤体水力压裂
高压水进入此类煤体时时，可描述为“寻找最弱缝隙—撑开—再寻找最
弱裂缝……”。
高压水进入突出煤封堵冲破示意图
塑性阶段煤体“压开裂缝”壁周边的压实带
井下水力压裂本煤层的适用性
煤体结构 原生结构煤 碎裂煤 碎粒煤 糜棱煤
是否适用于水力压裂 适用 较适用 适用差 适用差
原因 需要开启裂缝 可通过压裂增透 产生有用裂缝少 产生有用裂缝少
水力压裂的原理是井下钻孔压裂工艺的支撑
由前述的现场施工和实验室试验结果充分说明井 下压裂的可行性，无论是压裂本煤层还是顶底板，都 会取得显著效果，之所以迄今为止还没有取得显著成 功，就在于观念的束缚和施工工艺的缺陷。井下钻孔 压裂增透的原理来源于但又不同于瓦斯治理或煤层气 开发工艺。
水力压裂技术装备及工艺
裂缝延伸原理
滤失水压
注入水压
过程：
水进入层理面和裂隙系统 携带煤粒形成封堵带 一级弱裂面压力升高
注入水压
滤失水压
注入水压
滤失水压
弱裂面开裂，空间增大 封堵作用减弱
条件： 注入压力＞滤失压力
煤粒向四周运动形成二次封堵
注入压力：指水注入弱面充水空间时的压力，该压力主要由注水泵来提供 滤失压力：因煤体本身的孔隙的润湿和毛细作用，造成注入压力损失的那部分压力
单一突出煤层区域消突困难 ——水力压裂是实现区域消突和局部消突的有效技术
水力压裂提出的背景
2 提高预抽瓦斯浓度的需求
抽采瓦斯浓度、抽采量、抽采率抽采时间取决于煤层透气
性以及抽采工艺
——压裂是煤层增透的有效途径、是提高预抽瓦斯 浓度抽采的有力保证
水力压裂提出的背景
3 井上下联合抽采的根本途径
水力压裂是地面煤层气开发的常规增透工艺 移植到井下可起到异曲同工的效果 有条件的地区可进行地面压裂、井下抽采
瓦斯参数 测定位臵 测定时间 测定值 M7：19.22m3/t M8：20.85m3/t M7：18.93 m3/t M8：19.09 m3/t M7：1.74MPa M8：2.55MPa M7：1.15% M8：1.05%
W10#CH4上平巷
原始煤层瓦斯含量 W10#CH4210处 W10#CH4上平巷 M7 W10#CH4210处M8 原始煤层含水量 W10#CH4上平巷
施工过程
压1#孔 累计注水310.39m3， 泵压26.7～41.6MPa， 流量0.6～13.7m3/h， 压2#孔 累计注水量390.13m3。 泵压17～24.4MPa， 流量18.1～29.5m3/h，
压3#孔
压4#孔
累计注水量102.6m3，
泵压18.1～34.1MPa；
累计注水量121m3，
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 生联接贯通过程实现压裂分解。从而使内部裂隙弱面的扩展、延伸、
以及相互之间贯通，形成相互交织的贯通裂隙网络，达到提高煤层渗
透率的目的。
大排量 注入高压水
继续注入
注速大于地 层吸收速度
钻孔产生高压、煤层 三对轴向应力减小 形成裂隙网格
大于最 小轴应力
泵压15～25MPa。
压裂效果检测
影响范围有限
水力压裂技术简介
1
我国水力压裂发展概况
1970-1980年间，在辽宁、河南、湖南、山西等矿务局进行过以地面垂直 钻井压裂方式开发煤层气的试验，取得一定的增产效果。但未能形成开 发、推广规模。
1990-1995年间，地矿、煤炭、石油所属有关部门以及地方政府已在十余
个煤田或地区，利用国内资金或与国外合资打了60多口资源评价钻孔和 生产试验钻孔，有的地方还进行了采气试验，取得了可喜的成果。 上世纪90年代末在鄂尔多斯、沁水等9个盆地煤层瓦斯赋存条件较好， 已逐渐开始全面实施地面开采。 截至2004 年，山西沁水和河东煤田已施工各类煤层气井159 口，单井日 产气量一般在500-4000m3／d，最高达16000m3／d。
16号 6分
kg 个
425# V32.5级
吨 公斤
2 500 膨胀增强防收缩
2
设备连接
3
压裂泵组
柱塞数 电压 额定功率 供水要求
型号
额定压力
最大流量
HTB500
BZW200/56
50MPa
56 MPa
1100L/min
200 L/min
3柱塞
5柱塞
1140V
1140V
400KW
220KW
4寸水管/0.3MPa
排粉 工艺 水排 水排 水排 水排
终孔位置 M7顶板1.5m M7顶板1.5m M7顶板1.5m M8顶板1.5m
检验孔布臵
试验第一阶段共设计检验孔12个，煤层走向方向东西两侧各设计8个检 验孔，垂直巷道顶板施工，煤层走向方向原则上施工一侧的检验孔，按 照一个钻场施工。实际检验孔施工数量采用动态施工方法根据实际情况 增至14个。
皮带巷
西区
运输巷
检3-2 压2# 检4-2 检1-2 压1# 检2-4 检1-4 检4-4 检2-2 检3-4
西区
瓦斯巷
检1-1 检2-1 检3-1 检4-1
标1
西区
总回风
西区
检验孔布臵
第二阶段检验孔施工原则上是在煤层走向范围内只打钻孔一侧的检验孔， 倾向方向上打上下两侧的检验孔，实际检验孔数量根据现场检验效果动 态增减，检验孔设计见图7。检验孔瓦斯含量以及水分均压风取样测定。 压3#孔
6
压裂工艺
钻孔 封孔
养护混凝土
连接压裂装备及管路 实施压裂 监测压力、流量
否
压力是否突然降低 流量是否突然增大
是
停止压裂 收集数据
水力压裂的应用
水力压裂技术已成功应用于打通一矿W10#瓦斯巷上平 巷 、W10#瓦斯巷210下 、渝阳煤矿N3704西瓦斯巷下 、 逢春煤矿S11203上顺槽等，均取得了理想的效果。
2寸水管/0.1MPa
4
压裂管路
高压管路一般包括两部分，即孔内联接高压管和孔外联接高压管。孔
内联接高压管为厚壁无缝高压钢管，孔外联接管为抗高压软胶管。
5
压裂筛管
封孔工艺
①对靠近“马尾巴”的50-100cm筛管用一层纱布包
1.5m
钻孔孔径75mm
裹，进一步减少浓稠浆液进入压裂管，避免堵管事
7#煤层 棉纱0.4m 返浆孔用纱布缠绕
没有采矿活动就没有卸压增透，从某种程度上讲是一种被动治理工艺
水力化措施卸压
水力挤出：位于应力集中带以外的卸压带，适用于软煤，通过松动煤体 卸压增透，不能用水力压裂原理解释 水力割缝：通过高压水射流在煤体中割缝卸压增透 高压注水：类似于水力压裂，但注水压力和注水量有限，没有开启裂缝 或使裂缝有效延伸、沟通
5月10日
6月21日
原始煤层瓦斯压力
5月15日 5月20日 5月16日 5月16日
钻孔布臵
压裂 孔号 压1# 压2# 压3# 压4#
倾角 90° 90° 90° 90°
方位角 -
钻孔 直径 Φ75mm Φ75mm Φ75mm Φ75mm
扩孔 直径 Φ94mm Φ94mm Φ94mm Φ94mm
孔深 57.15m 48m 55.6m 51m
类别 范围
砂岩 一般
泊松比μ
10-61
——
0.09-0.36
——
20.0-300.0
60.0-100.0
3.00-20.00
4.00-13.00
45-52
——
10.28
——
平均
范围 煤 一般 平均
35.5
0.3-6.5 0.3-2.5 1.4
0.22
0.10-0.50 0.15-0.45 0.30
80.0
煤矿井下水力压裂增透抽采技术
主要内容
1
水力压裂提出的背景
2
水力压裂技术简介
水力压裂技术装备及工艺 水力压裂的应用
3
4
水力压裂提出的背景
1《防治煤与瓦斯突出规定 》要求区域消突先行
第六条规定：防突工作坚持区域防突措施先行、局部防突措施补充的原 则。突出矿井采掘工作做到不掘突出头、不采突出面。未按要求采取区 域综合防突措施的，严禁进行采掘活动。 区域防突工作应当做到多措并举、可保必保、应抽尽抽、效果达标。
2)瓦斯抽采现状
煤巷揭煤
未卸压抽放
岩巷掘进预抽
采区大面积预抽
边掘边抽 边采边抽
卸压抽放
水力割缝 松动爆破 开采层工作面推过后抽放上、下临近煤层
3）瓦斯抽采存在问题 卸压抽采
◆采矿卸压
由于采矿活动的影响，改变了原始地应力状态，煤岩体发生了一定程度
的位移，进而改变了裂隙场和流体场，达到增加煤岩层透气性效果。
1
压裂所需设备清单
序号 名称 规格 单位 数量 备注
1