煤矿井下钻孔高压压裂技术研究与应用 研究报告

**股份** 2010年10月15日 研 究 报 告 一、概况 ******************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************煤与瓦斯突出进行有效的防治，我们进行了水力压裂技术在煤矿突出煤层中的研究与应用这一课题。对防治煤与瓦斯突出、保障煤矿安全生产具有重要现实意义。

二、突出煤层区域性消除突出的意义 瓦斯事故是制约集团公司安全状况好转的最主要因素。瓦斯事故对矿井安全的威胁主要有瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、瓦斯窒息等三种形式，其中瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出给煤炭矿山企业带来的危害极大，它严重威胁着井下人员的生命和矿井设施的安全，并迫使矿井停产，投入大量的人力物力进行抢险救灾。结合国家煤矿安全生产监察局提出的“先抽后采，监测监控，以风定产”的十二字安全生产方针，集团公司致力于建立防范瓦斯长期有效机制，因此，不把瓦斯事故控制住，就不能实现安全生产状况的稳定好转，也无法保障矿井的持续健康发展,而防治煤与瓦斯突出最根本的技术措施就是矿井瓦斯抽放。**目前的矿井抽放率较低，其中一个主要原因为开采的煤层属低透气煤层,再加上随着进入煤层深层开采，瓦斯的抽放难度大。长期以来，如何提高煤层的瓦斯抽放率，从而消除煤与瓦斯突出危险性一直是瓦斯抽放工作中亟待解决的技术难题。因此，必须研究出一种能有效地一次性使开采煤层形成贯通裂隙网，进行一次性瓦斯抽放的技术方法。 近些年来，由于水力压裂、松动爆破、水力割缝等技术措施在煤矿井下的不断尝试和应用，特别是水力压裂技术的不断发展和完善，使该技术措施在防治煤与瓦斯突出、瓦斯抽放、煤体注水等方面得到了广泛应用，并取得了良好效果。**随着产量增加和水平延伸，煤层瓦斯含量，突出危险程度增大，常规的瓦斯预抽技术，抽放率低，不能满足矿井部署和高效建设的需要，出现预抽超前距和超前时间不够，掘进和回采时瓦斯超限和防突测试超标时有发生，制约了生产的连续性，威胁了矿井安全。为了缩短抽放时间，提高抽放率，消除瓦斯超限和突出威胁，加快矿井高产高效建设步伐，特此提出在突出煤层穿层水力压裂区域性消除工作面突出危险性的研究与应用。 三、煤矿井下钻孔高压压裂技术在突出煤层中的研究与应用 （一）研究的主要思路 **煤与瓦斯突出煤层普遍存在瓦斯含量高、透气性低、钻孔深度浅、抽采效果不理想的问题，掘进及回采期间瓦斯大量涌出制约了安全生产。目前部分工作面不具备开采保护层的条件，则预抽煤层瓦斯即成为目前无保护层开采矿井首要的区域治理措施，另外中远保护层开采期间被保护层瓦斯抽采也是必须大力开展的重要工程。要从根本上解决突出煤层瓦斯问题，必须对突出煤层实施层内卸压增透来解决透气性低的问题，而层内卸压增透是无保护层措施下采取的主要措施。在目前钻孔技术还没有较大突破的条件下，采取人为的增加煤层裂隙将大大提高煤层的透气性。但已采取的超前钻孔、深孔注水、水力冲孔、水力割缝、深孔松动爆破和深孔控制爆破、回采工作面顺层钻孔抽放等防突技术措施，普遍存在着整体卸压不够充分、抽放空白带较大、施工工序复杂等问题，并且有一定的局限性。 煤矿井下钻孔高压压裂技术是把水作为动力，在煤层中形成人工的空腔、槽缝和裂隙或扩大已有的裂缝以及使煤体发生位移。经压裂后的煤层，其内部能出现众多且延伸很远的裂缝，使得在抽气时钻孔周围出现大面积的压力下降，煤层受降压影响解析出来的气体能够通过压裂形成的裂隙运移至钻孔中，保证了煤层气能迅速并相对持久地泄放，抽出量较压裂前可增加数十倍，从而起到卸压和排放瓦斯的作用，最终达到防治突出的效果。 （二）煤矿井下钻孔高压压裂技术方案 1.压裂设备与仪表 注水系统由注水泵、水箱、压力表、专用封孔器等组成（见图1）。 注水泵选用额定压力为31.5Mpa、额定流量为400L的BRW400/31.5型煤矿用乳化液泵。为便于操作和控制，注水泵安装有压力表、水表及卸压阀门等附件，水箱容积3m3。压力表采用YHY60(B)矿用本安型数字压力计和FCH32/0.2矿用本安型手持采集器。 高压管路选用1寸高压胶管。钻孔内采用优质无缝钢管，采用快速接头与封孔器和高压胶管相连接。无缝钢管外径38mm，内径27mm，壁厚5.5mm，每节长3m。钢管压裂段开孔，孔密10孔/米，钢管底部丝堵封口并开孔。 水管连接管压力表水表卸压阀水 箱注

水泵

高压管线

专用封孔器

图1 注水系统布置示意图 2.封孔器及其参数 钻孔封孔器选用专用封孔器，封孔器封孔长度20m，封孔深度为25~35m。该封孔器由封孔胶囊、连接杆、出水嘴和注水头四部分组成，如图2所示。封孔器抗压强度不低于35MPa，外径55mm，具有一定的内径以保证足够的流量，长度大于10m，加压扩张系数40%。

注水头连接杆胶囊

出水嘴

煤层

图2专用水力自动封孔煤层注水器结构示意图 3.压裂原理 高压水作用于煤体是一个逐渐湿润煤体、压裂破碎煤体的过程。在注水的前期，注水压力和注水流量呈线性升高；随后，注水压力与流量反向变化，并呈波浪状。这直观反映出了在注水初期，具有一定压力和流速的压力水通过钻孔进入煤体裂隙，克服裂隙阻力运动；随后，当压裂液充满现有裂隙后，水流动受到阻碍，由于煤体渗透性较低，水流量降低，压力增高而积蓄势能；当积蓄的势能足以破裂煤体形成新的裂隙时，势能转化为动能，压力降低，水流速增加；当压力水携带煤泥堵塞裂隙时，煤体渗透性降低，水难以流动使流量下降，压力上升。 4.注水压力 注水压力是所有水力化措施中的重要参数。若注水压力过低，不能压裂煤体，煤层结构不会发生明显的变化，相当于低压注水湿润措施，短时间内注水起不到卸压防突的作用；若注水压力过高，导致煤体在地应力和水压综合作用下迅速变形，形成突出。因此，合理的注水压力应该能够快速、有效破裂松动煤体，进而改变煤体孔隙和裂隙的容积及煤体结构，排放煤体瓦斯，达到消突的目的。水力压裂措施最高注水压力和最终注水压力应在式（1）和式（2）的基础上进行选择。 最高注水压力： Pm≥0.075H+Pc (1) 最终注水压力： Pk＝3+Pc (2) 式中 Pm——最高注水压力，MPa； ——上覆岩层的平均容重，t/m3；

H——煤层埋深，m； Pc——注水管路的压力损失，MPa； Pk——最终注水压力，MPa。 根据试验工作面钻孔柱状图的统计资料，用加权平均法计算出煤体上覆岩层的平均容重，计算方法如下式：

＝Hn1i＝iih (3) 式中 i——上覆岩层分层容重，t/m3； ih——上覆岩层分层层厚度，m。 式（1）中煤层埋深取工作面实际埋深，将各分层容重及厚度代入式中，计算平均容重，由此计算的垂直应力。取管路损失压力Pc为泵站压力的10%。原则上，压力最高值不能超过工作面前方煤体应力集中带内的峰值应力(H的2～3倍)，起始压力初步设定为15 Mpa，逐步加压。 5.压裂时间控制 压裂时间与注水压力、注水量等参数密切相关，注水压力、流速不同，相同条件下达到同样效果的注水时间也不同。注水过程中，煤体被逐渐压裂破坏，各种孔裂隙不断沟通，高压水在已沟通的裂隙间流动，注水压力及注水流量等参数不断发生着变化，注水时间可根据注水过程中压力及流量的变化来确定。根据以往的地面水力压裂和井下水力挤出试验经验，当注水泵压降低为峰值压力的30%左右，可以作为注水结束时间。 压裂时采用动压，从开始注水到水力压裂措施结束大约需要120min时间。起始压力初步设定为15MPa，每5min升压2 Mpa，泵压达到29 Mpa左右。若稳定一段时间后，压力迅速下降，并持续加压时压力无明显上升，或者检验孔附近瓦斯浓度明显升高或有水涌出时，即说明压裂孔和检验孔之间已经完成压裂，此时即可停泵，关闭卸压阀，压裂程序结束。压裂措施实施过程中，需连续记录注水压力和流量，根据现场实际情况，适时调整压裂参数。 6.水力压裂增透抽采瓦斯工艺 煤矿井下钻孔水力压裂增透抽采瓦斯工艺，依次包括以下步骤：（１）选取压裂地点；（２）根据观察煤体类型、巷道布置和构造发育程度来确定压力类型，可采用顶底板顺层钻孔水力压裂、顶底板穿层钻孔水力压裂、本煤层顺层钻孔水力压裂或本煤层穿层钻孔水力压裂；（３）确定钻孔参数施工钻孔，钻孔参数包括孔长、开孔高度、孔径、倾角、方位角；（４）设计水