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煤矿现代化2021 年第 1 期总第 160 期 0 引言 煤矿井下水力增透技术作为破解低渗透性、难抽 采煤层的关键技术，在国内多个大型矿区得到推广应 用，尤其是在西南构造复杂区矿的高瓦斯突出矿井得 到了广泛的应用，有效遏制了煤与瓦斯突出事故的 发生。 目前，煤矿井下水力增透的方式主要有水力挤 出[1]、水力压裂[2-3]、深孔高压注水[4]、水力割缝[5-6]、水力 冲孔[7-8]和水力掏槽[9]等。 自 2010 年开始，重庆能源投 资集团所属矿井积极开展煤矿井下水力压力增透技 术研究和应用，通过近 10 年探索，该技术已成为预抽 煤层瓦斯的强制性前提条件。 南桐煤矿隶属于重庆能源投资集团渝新能源有 限公司，属煤与瓦斯突出矿井，其可采煤层自上而下 有 K3（ 4）、K2（ 5）、K1（ 6）三层，K2作为保护层开采。 在采用水力压裂增透技术之前，矿井主要是采取密集 穿层钻孔辅以本层钻孔的方式进行消突，但是因其透 气性系数只有 210-3m2/ （ MPa2 d），钻孔抽采时间短， 预抽效果差， 消突效果不理想。 本文以矿井北翼 -325m7511 保护层工作面水力压裂增透措施为例，详 细阐述水力压裂增透技术的基本原理及工程实践，为 突出煤层的瓦斯治理提供参考。 1 水力压裂增透技术原理 水力压裂是指以恒定或逐渐增加的排量由钻孔 向煤层注水， 形成一组沿最大主应力方向延伸、最 小主应力方向张开的径向张性裂缝，提高煤层的透 气性。 1.1 裂缝起裂 水力压裂时， 钻孔内流体压力增大， 在孔壁周 围产生压力场。 根据岩石张性破裂准则可知，当孔 壁煤体受到的拉应力能够克服地应力和煤体的抗 拉强度时，煤体产生张性破裂，进而在钻孔附近形 成初始裂缝。 设初始地应力场的有效应力分别为 σx ，σ y 和 τ （ 见图 1），则钻孔周围的主应力可表示为 水力压裂增透技术在南桐煤矿的应用研究 任梅青 ， 吴 斌 （ 重庆能投渝新能源公司 , 重庆 400060 ） 摘要 为探索低渗煤层的瓦斯抽采增产关键技术，提高瓦斯抽采效率，缩短抽采达标时间，针对南 桐煤矿瓦斯治理中的难题，开展了煤矿井下水力压裂增透抽采瓦斯技术研究。 研究结果表明水力压 裂可在煤层中形成一组沿最大主应力方向延伸、最小主应力方向张开的径向张性裂缝，明显提高煤层 的透气性；南桐煤矿 K2 煤层最大破裂压力为 32.0MPa，选择压力为 38.0MPa 的设备工况进行压裂，单 孔平均压入水量 400m3左右；-325m7511 工作面压裂后钻孔平均每米抽采贡献量是传统工艺的 49 倍，减少了预抽钻孔工程量，降低了成本，提高了瓦斯抽采效果。 关键词 水力压裂 ； 瓦斯抽采 ； 增透技术 ； 南桐煤矿 ； 破裂压力 中图分类号TD 712 文献标识码A 文章编号1009-0797 （ 2021）01-0081-04 Hydraulic fracturing technology and its applications in Nantong Coal Mine REN Meiqing ， WU Bin （ Chongqing Energy Investment Group YuXin Energy Co. LTD ， ChongQing 400060 , China） Abstract In order to explore the key technology of increasing production by gas drainage in low permeability coal seam, improve the gas drainage efficiency and shorten the time of reaching the standard, according to the problems in gas control in Nantong Coal Mine, the research on gas drainage technology with hydraulic fracturing and permeability enhancement was carried out.The results show that hydraulic fracturing can a group of radial tensile fractures extending along the direction of maximum principal stress and opening in the direction of minimum principal stress, which can significantly improve the permeability of coal seam; the maximum fracture pressure of K2 coal seam in Nantong Coal Mine is 32.0mpa, and the equipment condition with pressure of 38.0mpa is selected for fracturing, and the average water inflow per hole is about 400m3; After fracturing in -325m7511 working face, the average drainage contribution per meter of borehole is 49 times of that of traditional technology, which reduces the engineering amount of pre drainage drilling, reduces the cost and improves the gas drainage effect. Key words hydraulic fracturing ; gas drainage ; anti permeability technology ; Nantong Coal Mine ; fracture pressure 81 万方数据 煤矿现代化2021 年第 1 期总第 160 期 σ1 1 2 σ x σ x 1 2 σ x -σ y 24τ 姨 σ2 1 2 σ x σ x- 1 2 σ x -σ y 24τ 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 （ 1） 则最大主应力的方向可表示为 θ 1 2 arctan 2τ σx -σ y （ 2） 图 1 裂缝起裂图 2 裂缝扩展 1.2 裂缝扩展 当煤体产生张性破裂后，裂缝将沿着最大主应力 方向扩展。 断裂力学理论认为裂缝在扩展过程中，受 周围煤体的断裂韧性 KIC的控制。 根据能量条件，裂 缝内的流体压力在裂缝边缘某一点上诱发的应力强 度因子 KI大于煤体的断裂韧性 KIC时，裂缝将向前扩 展。 假设裂缝内流体压力各个方向相同，由图 2 可得 裂缝端部的应力强度因子为 KI 10 GSIπa 姨 a -a ∫py ay a-y姨 dy （ 3） 式中KI为煤岩体张性裂缝强度因子，MPa m1/2； p y 为作用于裂缝面上的净压力，MPa；a 为裂缝的半 长，m；y 为裂缝上任一点到压裂孔中心的距离，m； 2 水力压裂试验与效果评价 2.1 试验区概况 -325m 水平 7511 工作面位于位于乌龟山背斜东 翼，上部为 6511 下段于 2014 年 9 月回采完毕，南邻 7509 上段于 2011 年 11 月回采完毕， 北部和下部尚 未布置采区。 治理范围为 -325m 九石门以北 275m， 倾向 117m 的 K2煤层，图 3 所示，煤层倾角 30，平 均 煤 厚 1.0m，密 度 1.53t/m3，瓦 斯 原 始 含 量 18.7556m3/t。 -325m 标高布置有底板茅口灰岩抽放巷 和顶板矽质灰岩抽放巷。 2.2 压裂试验方案与设计 拟对 -325m7511 工作面实施穿层钻孔水力压裂 增透预抽 K2煤层瓦斯，根据其他区域考察报告，本次 压裂孔间距按照 5560m 网格布置， 共布置 10 个穿 层水力压裂钻孔，如图 3 所示。 1）破裂压力设计。煤储层裂缝破裂压力是指开启 煤储层裂缝的最小压力，破裂压力的确定依据公式 pf n i1 ∑γihip2p3 （ 4） 式中pf为破裂压力，MPa；γi为上覆岩石平均容 重；hi为岩石厚度；p2为岩石的抗拉强度，MPa，取 2MPa；p3为管道摩阻，MPa。 -325m7511 工作面埋深为 700m， 上覆岩石平均 容重为 26kN m-3，管道摩阻一般不大于 1.0MPa。由计 算可知，K2煤层破裂压力值为 21.2MPa。 图 3 -325m7511 工作面压裂钻孔布置示意图 2）压入水量计算。 在不考虑水力压裂过程中滤 失的条件下，根据水压裂缝的空间形态，水压裂缝扩 张延伸与所注水的体积存在对应关系，可以通过压裂 注水量来控制水压裂缝的扩展长度。压入水量的确定 依据公式 v水v体k；v体abj （ 5） 式中v体为注水影响体体积，m3；k 为影响体孔隙 率，；a 为影响体长度，m；b 为影响体宽度，m；h2影 响体高度，m。 本次钻孔间距按照 55-60m 布置，K2煤层孔隙率 为 3，影响长度和宽度为 120m （ 考虑影响到邻孔）， 影响高度为 1.0m，由计算可知，K2煤层单孔压入水量 为 432m3。 2.3 压裂钻孔施工与封孔 1）压裂孔施工情况。 本次按照设计，共施工穿层 压裂钻孔 10 个，2015 年 11 月 24 日～12 月 25 日施 工完毕，合计进尺 545.6m。 在钻孔透煤过程中，1、2 孔有喷孔现象，喷距 1.5m 和 0.8m。 2）封孔装备及材料。 压裂钻孔采用 BFK-10/2.4 煤矿用封孔机进行机械堵孔， 注浆比例为BY12-1 型高性能无收缩注浆料∶水为 4∶1。 封孔装备及材 料可以保证压裂钻孔的严密封堵，压裂施工过程中没 有漏水现象。 82 万方数据 煤矿现代化2021 年第 1 期总第 160 期 3）预埋压裂管。 预埋在孔内的压裂管长度根据 孔深确定，煤孔段预埋压裂筛管，选用 Φ51 mm7.5 mm-75 MPa，长度 1～2 m 无缝钢管加工而成，筛眼四 排，直径 Φ12 mm，眼距不大于 10 cm；岩孔段预埋 Φ51 mm7.5 mm-75 MPa， 长度 1～2 m 孔内压裂 管， 其中钻孔靠近孔口端采用 Φ51 mm7.5 mm-75 MPa/2.0 m 孔口压裂管连接尾管， 连接尾管外露孔口 不大于 0.5 m。 4）注浆管及封孔。 本次的压裂孔均为仰孔，∮6 cm PVC 返浆管随孔内压裂管一同送入孔内， 返浆管 前端孔口在筛管以下 0.6 m 处。Φ6 cm PVC 注浆管在 孔口内以上 2～3 m 处， 孔口 0.5～0.8 m 段用棉纱蘸 上科力森填满，凝固 5～10 min。 封孔时，必须待注浆 料由返浆管流出，才能停止注浆。 2.4 水力压裂施工 1）压裂装备选型。 根据地层条件、破裂压力和单 孔压入水量的计算，选用一台宝鸡航天动力泵业有限 公司 BYW80/450 型高压水力压裂泵组进行压裂，当 3 档运行时，压力为 38.0MPa，压入流速为 34m3/h，能 够满足施工要求。 2）压裂施工开始时间及顺序。 压裂时间为 2016 年 1 月 26 日至 3 月 8 日， 压裂顺序为 2→4→ 6→8→10→1→3→5→7→9， 主泵压力 22.0～33.0MPa， 考虑管道摩阻， 孔内压力 21.0～ 32.0MPa。单孔压裂时长为 5.1～22.5 小时，邻孔出水 后停止压裂， 单孔累计压入水量为 350～517m3，平 均 400m3左右。 2.5 压裂后增透效果考察 每个钻孔压裂结束后， 远程操控打开孔口闸阀， 使其排出水煤浆或清水。压裂结束后 3～4 天，及时接 抽、保证抽采负压，每个孔口设自动放水器和孔板流 量计。 按照残余瓦斯含量必须低于 8m3/t 的达标评判 要求，该治理区域需抽取 529477m3（ 表 1）。 该区域从 2016 年 2 月 20 日开始接抽， 至 2017 年 7 月 4 日， -325m7511 工作面抽采 500 天， 合计抽取瓦斯 533844m3，达到达标要求。 根据图 4 所示，单孔平均抽采浓度为 72、平均 抽采纯量为 106.8m3/d。 传统工艺治理瓦斯的钻孔平 均每天每米抽采贡献量约为 0.04m3/m.d-1， 该区域压 裂后钻孔平均每天每米抽采贡献量为 1.96m3/m.d-1， 是传统工艺的 49 倍，压裂增透效果明显。走向长度同 样的情况下， 与 1000 个左右的普通穿层预抽钻孔瓦 斯抽采效果相当，钻孔工程量小大幅度降低。 抽采达标后，该区域又布置了部分穿层抽采孔和 本层抽采孔，但抽采浓度低、抽采量很小，忽略不计。 该工作面仅在机巷掘进时出现过一次防突指标超标， 目前，已经安全回采结束。 表 1 原始瓦斯总量与达标瓦斯量计算 图 4 -325m7511 水力压裂孔抽采量和抽采浓度对比 3 结论与认识 1） 水力压裂可在煤层中形成一组沿最大主应力 方向延伸、 最小主应力方向张开的径向张性裂缝，使 得煤层的透气性明显提高。 2）南桐煤矿 K2 煤层破裂压力为 21.032.0MPa， 结合矿井的瓦斯地质条件和设备情况，选择压裂泵组 3 档运行，压力为 38.0MPa，压入流速为 34m3/h，单孔 平均压入水量 400m3 左右，实现了本次压裂目标。 3）实践表明，水力压裂是瓦斯治理的有效手段， 压裂后钻孔平均每天每米抽采贡献量是压裂前 49 倍，减少了预抽钻孔工程量，降低了成本，提高了瓦斯 抽采效果。 参考文献 ［ 1］ 王兆丰,李志强.水力挤出措施消突机理研究 ［ J］.煤矿安 全,2004,35 （ 12）1-4. ［ 2］ 蔡峰,刘泽功.深部低透气性煤层上向穿层水力压裂强 化增透技术 ［ J］.煤炭学报,2016,41 （ 01）113-119. ［ 3］ 康红普,冯彦军.煤矿井下水力压裂技术及在围岩控制 中的应用 ［ J］.煤炭科学技术,2017,45 （ 01）1-9. ［ 4］ 孙四清,郑凯歌.井下高压水射流切割煤层增透效果数 值模拟 ［ J］.煤田地质与勘探,2017,45 （ 02）45-49. ［ 5］ 袁波,康勇,李晓红,王晓川,王泽峰.煤层水力割缝系统性 能瞬变特性研究 ［ J］.煤炭学报,2013,38 （ 12）2153-2157. ［ 6］ 童碧,王力.下向穿层孔水力割缝施工工艺研究与应用 （ 下转第 86 页） 煤层 厚度 （ m） 钻孔控制 煤量 （ t） 原始瓦斯 含量 （ m3/t） 达标瓦斯 含量 （ m3/t） 原始瓦斯 总量 （ m3） 达标需抽 瓦斯总量 （ m3 ） 1.04922818.75568923296529477 83 万方数据 （ 上接第 83 页） ［ J］.煤炭科学技术,2017,45 （ 08）177-180188. ［ 7］ 陶云奇,张超林,许江,彭守建,冯丹.水力冲孔卸压增透物 理模拟试验及效果评价 ［ J］.重庆大学学报,2018,41 （ 10） 69-77. ［ 8］ 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通过将深孔预裂爆破技术应用于综放工作面初 采期间， 可以弱化顶煤与上覆顶板之间的稳定结构， 达到了降低综放工作面初次来压强度、减少初采期间 顶煤损失、提高采出率和经济效益、保证初采期间安 全生产的目的，取得了显著的经济技术效果。并且，本 次综放工作面初采深孔预裂爆破技术的成功应用，对 该煤矿其他综放工作面具有积极的推广意义和经济 技术价值。 参考文献 ［ 1］ 赵凯明.斜沟矿深孔预裂爆破切顶卸压机理的研究 ［ J］. 机械管理开发,2020,35 （ 01）136-137140. ［ 2］ 郭龙. 大湾煤矿 11903 工作面深孔预裂爆破数值模拟 ［ J］.煤炭技术,2019,38 （ 10）99-101. ［ 3］ 高小强,谢永昌,于宏溪.综放工作面厚层坚硬顶板深孔 预裂爆破技术研究 ［ J］.煤炭技术,2019,38 （ 09）82-85. ［ 4］ 王喜明.综放作业初采前顶板预裂爆破分析 ［ J］.能源与 节能,2019 （ 07）35-36. ［ 5］ 赵斌.坚硬特厚煤层综放工作面顶板弱化技术应用研究 ［ J］.山东煤炭科技,2019 （ 05）74-76. ［ 6］ 曹卫军.坚硬特厚煤层综放提高回收率实践 ［ J］.煤炭科 技,2019,40 （ 02）48-50. ［ 7］ 马国伟.特厚煤层切顶卸压护巷技术研究 ［ J］.山西焦煤 科技,2019,43 （ 01）8-10. 作者简介 赵鹏 （ 1982-），男，汉族，河北平山人，本科学历，毕业于 山西大同大学，采矿工程专业，现就职于西山煤电集团官地 矿。（ 收稿日期2020-6-17） 86 万方数据