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第 46 卷 第 4 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.4 2018 年 8 月COALGEOLOGY 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China Abstract Broken soft coal seams with poor permeability develop in Hancheng mining area, drilling in the coal seams is difficult, the effect of gas extraction is poor. The hydraulic fracturing technology of pectination boreholes in roof combines the advantages of the two technologies of hydraulic fracturing and directional drilling, it is an effective technical way to solve the problem of gas drainage in broken soft coal seams of low permeability. In Wangfeng coal mine, a long borehole was drilled in the roof siltstone of No. 3 coal seam, and had a branches in coal seams, casing and packer seal were used, hydraulic fracturing engineering test was carried out in the way of integral fracturing. The total length of the borehole was 344 m，the effective fracturing length was 284 m, the accumulative water injection was 874.79 m3, and the maximum pump pressure was 9.4 MPa. After the test, the relevant parameters of borehole gas drainage were continuously monitored for 86 days, the concentration of gas drainage was 27–51, 42.11 on average, the pure amount of gas drainage was 8.25–21.41 m3/min, 17.02 m3/min on average, the total amount of gas drainage was about 210104m3by roof long boreholes. Compared with conventional hydraulic punching technology, of gas drainage of 100 meter borehole through this technology increased by 11.48 times, it preliminarily proves the applicability of the technology in the field of enhanced gas drainage in broken soft coal seam. Keywords broken soft coal seam; petiction boreholes in roof；hydraulic fracturing; enhanced gas drainage; Hancheng mining area ChaoXing 18煤田地质与勘探第 46 卷 韩城矿区生产条件复杂，区内所属 4 个矿井均 为高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井。瓦斯灾害是阻碍矿 区实现安全高效生产的首要因素，迄今为止，仅桑 树坪、下峪口两矿就发生煤与瓦斯突出事故 141 次 之多。矿区内碎软煤层发育，煤层透气性差，煤体 的吸附瓦斯含量大，而解吸速度慢，钻孔瓦斯衰减 快。常规煤层钻孔施工中常出现夹钻、喷孔等现象， 一般钻孔施工深度为 3040 m，局部区域仅能施工 1530 m[1-3]，钻孔瓦斯抽采时间短，卸压程度低、影 响范围小， 给矿井安全生产造成极大威胁[4-6]。为保障 矿区安全生产，缓解采掘接替紧张局面、提高矿井 经济效益，避免瓦斯抽采出现“拼刺刀”、不符合规 程规定等问题，探索适合矿区碎软突出煤层的瓦斯 治理方法对矿区可持续发展至关重要。 水力压裂技术已被证明是改造煤岩体结构、 增 加煤层透气性、 提高煤层瓦斯抽采效果的有效技术 之一[7-8]，其具有影响范围大、增透效果显著等优 点[9-10]，是一种具有广阔应用前景的低透气性煤层 增透技术。 顶板梳状孔可以有效解决碎软煤层钻进 过程中夹钻、 塌孔、 成孔难、 抽采距离短等难题[11]， 避免传统抽采钻孔多而造成的封孔、联孔漏气问 题。二者结合运用可以缩短钻孔施工时间，延长钻 孔服务周期，水力压裂形成的裂隙“网络系统”[12] 可以作为瓦斯快速产出的通道，提高瓦斯产出速 度， 改善瓦斯抽采效果， 有效地保障矿井安全生产。 1试验区地质条件 韩城矿区位于鄂尔多斯盆地渭北隆起的东北 缘，矿区整体为一走向 NE、倾向 NW 的单斜构造， 地层产状平缓[13]。区内含煤地层为二叠系的山西组 和石炭–二叠系太原组，主要煤层为山西组 3 号、5 号煤层和太原组 11 号煤层，受构造运动的影响，矿 区内煤层破坏严重，构造煤普遍发育[14]。本次试验 点王峰煤矿位于矿区东北部，属于缓建矿井，目的 煤层 3 号煤厚度约 6.0 m，煤层整体呈粉末状，坚固 性系数 f 为 0.10.3，煤体结构为碎粒煤和糜棱煤。矿 井开拓过程中发现 3 号煤层片帮严重，一般片帮深度 大多在 30 cm 左右。 煤层直接顶为粉砂岩， 厚度 1.7 m， 基本顶为中粗粒砂岩， 厚度 8.514.2 m， 平均 11.64 m。 3 号煤层瓦斯含量最大达到 26.10 m3/t，且随煤层埋 深增加而增大。矿井开拓过程中实测 3 号煤层瓦斯 压力为 3.0 MPa，煤层瓦斯含量为 13.74 m3/t，属煤 与瓦斯突出矿井。 2水力压裂工程试验 2.1钻探设计及施工 试验钻孔的开孔点位于距矿井主斜井井口约 2 711 m 处，主孔布置在距 3 号煤层顶板 35 m 的粉 砂岩内。钻孔采用二开结构，一开孔深 70 m，孔径 193 mm，二开孔深 200 m，孔径 120 mm。主孔施工 完成后采用后退式开分支工艺向下开 4 个分支孔， 各分支孔间隔 40 m。开孔段为下向孔施工，倾角 –6.4， 方位角 207.4， 钻进至 70 m 后开始沿煤层顶 板钻进，钻进倾角 1。施工主孔长 261 m，4 个分 支孔长度分别为 21 m、32 m、12 m、18 m，累计进 尺 344 m表 1。累计施工 28 d，比沿碎软煤层本煤 层长钻孔施工速度大幅提高。主孔实钻轨迹全部在 3 号煤层顶板岩层内，根据各分支孔见煤点数据预 测， 主孔实钻轨迹与 3 号煤层的距离约为 0.72.0 m。 表 1钻孔施工情况表 Table 1Data of the borehole 钻孔编号类型钻孔长度/m 1号 主孔261 1-1号 分支孔21 1-2号 分支孔32 1-3号 分支孔12 1-4号 分支孔18 总长度344 钻孔一开钻进至 69 m， 下入Φ146 mm 套管 63 m， 注浆并候凝固管。侯凝 72 h 后做压水试验憋压至 6 MPa，稳压 30 min，孔口及周边无滴渗水现象， 封孔质量合格，开始二开钻进。试验钻孔实钻轨迹 剖面及孔身结构如图 1 所示。 2.2水力压裂设计及施工 试验钻孔采用整体压裂、套管封隔器封孔的方 式。为避免压裂液污染煤层，选择清水压裂液。设计 注水量 860 m3，破裂压力 6.297.68 MPa。压裂工具 串组合为Φ103 mm 引鞋Φ96 mm 单流阀Φ96 mm 压差滑套 Φ100 mm 封隔器Φ89 mm 高压油管安全 孔口。 图 1钻孔孔身结构示意图 Fig.1Schematic diagram of tested borehole structure ChaoXing 第 4 期王建利等 韩城矿区碎软煤层顶板梳状孔水力压裂瓦斯抽采工程实践19 实际施工过程中水力压裂工具串下入深度55 m， 封隔器位于距孔口 52.79 m 处，封隔器膨胀用时 18 min，坐封压力 15 MPa。压裂段长度 284 m，钻 孔累计注水量 874.79 m3， 超过设计注水量 14.79 m3， 最大泵注压力 9.4 MPa，超过预测地层破裂压力 3.111.72 MPa，累计注水时间 37.5 h，累计注水量 及注入压力均满足设计要求。 水力压裂施工结束后， 钻孔保压 268 h，钻孔稳定压力为 1.8 MPa，钻孔累 计排水量 2.63 m3。 2.3裂缝形成判识 煤矿井下水力压裂的基本原理是将压裂液利用 高压泵等装备注入目标煤岩层，其压力大于最小主 应力和煤岩体的破裂压力，使得煤层中原有的裂缝 充分张开、延伸、相互沟通，达到导流的目的。水 力压裂曲线可以反映压裂致裂过程，解释压裂过程 中出现的特殊现象[15-16]。 判识多裂缝的产生是井下水力压裂过程中压 裂参数调整及预判压裂效果的前提。在压裂过程 中主要监测参数为泵注压力及流量，一般可根据 压裂过程中压力曲线的变化形态判识裂缝的发展 形态。水力压裂曲线大致可以分为图 2 所示的 3 种类型。 ① 压力持续下降型当煤层内压裂液压力大 于煤层破裂压力后，煤层内形成一条较大的单一裂 缝，该裂缝延伸距离较长，泵注压力持续下降，反 映出了煤层裂缝扩展具备张性破裂的力学特点，常 在中硬煤层压裂过程中出现。 ② 压力平衡型压裂钻孔处于较大的原始裂 缝中，随着压裂液的持续注入，并无后续的张开型 裂缝出现，泵注压力处于一个相对稳定的状态。 图 2不同类型泵注压力曲线示意图 Fig. 2Different types of pump injection pressure curves ③ 波浪型锯齿型当压裂裂缝前端或者尖 灭侧出现新的裂缝系统后，即一个裂缝系统向另一 个裂缝系统转移时会出现泵注压力的起伏，多个裂 缝系统转化形成后即表现为压裂液压力的波浪形态 锯齿状，因此波浪型压力曲线可作为多裂缝产生 的判识依据。 本次水力压裂工程试验开始阶段泵注压力曲线 见图 3。由图 3 可见，泵注压力曲线整体呈锯齿状 上下波动，表明压裂液进入岩层后产生的微裂隙的 “起裂–扩展延伸”。 压裂液一开始通过渗流的方式逐 渐充满岩层的原生孔隙和裂隙；随着压裂液压力的 不断增加，压裂孔周围应力升高产生微裂隙，而在 高压泵组持续不断注入的作用下，岩体内发生再蓄 能、裂缝再扩张的循环往复过程，即表现为泵注压 力曲线呈锯齿状上下波动。 随着微裂隙的不断发育， 压裂液能量积聚到足以克服地应力和岩体强度时， 岩层抵抗失效，主裂隙迅速扩展，这时候裂隙中的 自由空间增大，泵注压力出现明显下降，说明此时 孔内应该形成了一个较大的裂隙，为碎软煤层顶板 水力压裂的有效裂隙。 图 3水力压裂开始阶段泵注压力曲线图 Fig.3Pump pressure curve at the beginning of hydraulic fracturing 3试验效果分析 为了验证试验效果，对试验钻孔瓦斯抽采量、 抽采浓度等参数进行了连续监测。 试验结束后 86 d， 监测钻孔瓦斯抽采纯量 8.2521.41 m3/min，平均 17.02 m3/min，钻孔瓦斯抽采体积分数 2751， 平均 42.11，钻孔累计抽采瓦斯量约 210 万 m3， 钻孔瓦斯抽采数据变化曲线见图 4。由图中可以看 出，试验钻孔瓦斯抽采纯量虽略有下降，但仍然稳 定在 16 m3/min 之上，钻孔瓦斯抽采体积分数稳定 在 4050，抽采效果显著。 为了进一步验证本次试验效果，笔者收集了王 峰煤矿开拓过程中在相同区域采用穿层钻孔水力冲 孔瓦斯强化抽采相关资料进行对比分析。开拓过程 ChaoXing 20煤田地质与勘探第 46 卷 图 4顶板梳状孔水力压裂瓦斯抽采数据曲线图 Fig. 4The data curve of gas drainage through hydraulic fracturing of pectination borehole in roof 中试验区域共施工穿层钻孔 95 个，钻孔直径 75 mm， 总进尺 3 900 m，其中，煤层段总长 1 204 m，平均 单孔见煤长度 13.38 m，累计冲出煤量 181.5 t。监控 数据显示，在开拓过程中试验区域煤层瓦斯预抽45 d 后，瓦斯抽采纯量平均 5.81 m3/min，平均百米钻孔 瓦斯抽采量为 0.48 m3/min。本次试验钻孔抽采 86 d 后钻孔瓦斯平均抽采量为 17.02m3/min， 百米钻孔瓦 斯抽采量为 5.99 m3/min。可见采取顶板梳状孔水力 压裂强化抽采措施后百米钻孔瓦斯抽采量比采取间 隔水力冲孔强化抽采措施提高了 11.48 倍。二者瓦 斯抽采效果对比见表 2。 表 2同区域不同强化抽采措施瓦斯抽采效果对比表 Table 2Comparison of effect of gas extraction of different enhanced drainage measures in the same area 抽采措施 钻孔有效长 度/m 钻孔瓦斯抽采量 /m3min-1 百米钻孔瓦斯抽 采量/m3min-1 穿层钻孔水力 冲孔 12045.810.48 煤层顶板梳状 孔水力压裂 28417.025.99 4结 论 a．． 顶板梳状孔水力压裂技术既避开了本煤层钻 孔成孔难度大，施工周期长等难点，缩短了钻孔施 工周期，增加了钻孔瓦斯抽采时间，有利于缓解采 掘接替紧张局面。 b．运用套管封隔器的封孔方式，采用整体压 裂技术对试验钻孔进行水力压裂，钻孔有效压裂长度 284 m， 累计注水量 874.79 m3， 最大泵注压力 9.4 MPa。 c．．与穿层钻孔水力冲孔技术相比，利用顶板梳 状孔水力压裂技术， 百米钻孔瓦斯抽采量提高了 11.48 倍，瓦斯强化抽采效果显著。工程试验验证了顶板梳 状孔水力压裂技术在碎软煤层瓦斯抽采中的适用性。 参考文献 [1] 刘新民，王力，王建利，等. 韩城桑树坪二号井松软煤层钻进 技术研究与实践[J]. 煤田地质与勘探，2017，453165–169. 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