碎软煤层顶板梳状长钻孔水力压裂区域瓦斯高效抽采模式.pdf

碎软煤层顶板梳状长钻孔水力压裂区域瓦斯高效 抽采模式 陈冬冬1，王建利2，贾秉义1，席杰1 1. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077； 2. 陕西陕煤韩城矿业有限公司，陕西 韩城 715400 摘要瓦斯区域超前治理是实现煤矿安全、高效及智能化开采的重要保障，针对碎软煤层区域瓦斯 高效抽采难题，以陕西韩城矿区 3 号煤层为研究对象，提出井下煤层顶板梳状长钻孔水力压裂区域 瓦斯抽采模式。采用理论分析、数值模拟和现场试验等多手段相结合的方法，验证模式适用性，阐 明紧邻煤层顶板梳状钻孔压裂裂缝延展规律、抽采机理和压裂曲线特征，进而建立适用于 500 m 孔 深的集地质条件动态分析、分段水力压裂、封隔器遇阻解卡和压裂范围连续探查于一体的顶板梳状 长钻孔裸眼分段水力压裂关键技术体系，实现煤层顶板梳状钻孔主孔轨迹距离煤层 5 m 左右、多段 均匀压裂、压裂范围全孔监测和孔内事故高效处理。以此为基础，在韩城桑树坪二号井开展 2 孔次 的工程实践压裂主孔深度 588 m、距 3 号煤层 2 m 左右，单孔压裂 6 段，压裂范围探查深度 381 m、 压裂影响半径 20 m 以上；压裂后，钻孔抽采瓦斯平均体积分数 40 以上、瓦斯抽采量 1 m3/min 以 上，抽采效果是常规钻孔的 4 倍，120 d 瓦斯抽采有效半径可达 9 m，实现了碎软煤层瓦斯区域高效 抽采。并提出了适用于碎软煤层大区域瓦斯抽采以及高瓦斯压力碎软强突煤层远程区域抽采卸压等 规模化应用技术思路。 关键词区域瓦斯超前抽采技术；水力压裂；顶板梳状长钻孔；碎软煤层；煤层增透 中图分类号TD712 文献标志码A 文章编号1001-1986202208-0029-08 High-efficiencyregionalgasdrainagemodelafterhydraulicfracturingofcomb-shapedlong boreholesintheroofofbrokensoftandlowpermeabilitycoalseam CHEN Dongdong1, WANG Jianli2, JIA Bingyi1, XI Jie1 1. Xian Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xian 710077, China; 2. Hancheng Mining Co. Ltd., Hancheng 715400, China AbstractAdvanced management of gas enrichment area is an important guarantee to realize safe, efficient and intelli- gent mining in coal mine. Aiming at the problem of high-efficiency gas drainage in broken and soft coal seam region, taking No.3 coal seam in Hancheng mining area as the research object, a gas drainage mode of comb-shaped long bore- hole hydraulic fracturing in the roof of coal seam is proposed. The applicability of the model is verified by means of the- oretical analysis, numerical simulation and field test, and the fracture propagation law, gas drainage mechanism, and fracturing curve features of comb-shaped borehole in adjacent roof are clarified. Then, a key technology system of open- hole staged hydraulic fracturing for long comb boreholes in the roof is established, which is suitable for 500 m borehole depth. The system integrates dynamic analysis of geological conditions, staged fracturing, packer blockage release and 收稿日期2022-03-25；修回日期2022-06-30 基金项目中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金项目2021XAYJSQ07 第一作者陈冬冬，1985 年生，男，河南项城人，硕士，副研究员，从事矿井地质及瓦斯综合防治方面的研究工作. E-mail 通信作者王建利，1965 年生，男，陕西蒲城人，高级工程师，从事矿井通风和瓦斯防治的管理和研究. E-mail 第 50 卷 第 8 期煤田地质与勘探Vol. 50 No.8 2022 年 8 月COAL GEOLOGY hydraulic fracturing; comb-type hole in coal seam roof; broken and soft coal seam; coal seam permeability enhancement 近年来，随着我国煤矿安全生产科技的不断进步， 煤矿安全生产形势总体稳定、趋向好转，煤矿百万吨 死亡率由 2005 年的 2.76 降至 2020 年的 0.0591-2。 但我国煤矿瓦斯灾害防治形势依然严峻，每年发生较 大以上瓦斯事故仍占全国煤矿较大以上事故起数和死 亡人数的 50 以上3，瓦斯灾害治理依然是煤矿安全 生产工作的重点。高强度、集约化和智能化开采已成 为煤炭工业发展的主流趋势4，为满足这一需求，煤矿 灾害应由局部治理转向区域治理5。但我国碎软煤层 分布广泛，占比约 606-7，其具有强度低、渗透性差、 瓦斯含量高、压力大等特点8-10，导致成孔难、顶钻、 卡钻与喷孔现象突出，特殊的瓦斯地质条件决定了采 用常规方法难以实现瓦斯灾害区域超前与高效治理， 该问题一直是困扰煤矿企业的难题11，严重影响和制 约矿井安全高效生产和现代智能化矿井建设。 针对碎软低渗煤层瓦斯区域抽采难题，相关学者 开展了一些研究工作。地面煤层气抽采方面，张群12、 李彬刚13等以淮北矿区芦岭煤矿 8 号碎软低渗煤层 为研究对象，开发了碎软低渗煤层顶板水平井分段压 裂煤层气高效抽采技术，日产气量突破 1 万 m3；但对 于生产矿井而言，地面煤层气抽采周期长、投入高，无 法在短时间内解决生产区或准备区的瓦斯问题。煤矿 井下实践方面，孙四清等14针对阳泉矿区碎软低渗高 突煤层开展了井下长钻孔整体水力压裂增透技术的工 程试验，一次性整体压裂煤孔段长度达 307 m，平均瓦 斯抽采量 2 173 m3/d；方俊等15研发了碎软煤层空气 复合定向钻进技术与装备，在贵州青龙煤矿实现最大 孔深 385 m；刘建林等16开发了碎软煤层空气泡沫复 合定向钻进技术，在宿州某矿完成 232 m 的顺煤层定 向钻孔。可见，井下瓦斯区域抽采仍处于初步探索试 验阶段，且钻孔深度集中在 200400 m，对于实现 400 m 以上的深孔区域抽采还鲜有研究。因此，结合碎软低 渗煤层特殊的瓦斯地质条件以及区域瓦斯治理的现实 需求，寻求更大范围、高效、超前的区域瓦斯抽采技术 是亟待解决的现实问题。 笔者以碎软、低渗、突出煤层较为发育和瓦斯灾 害较为典型的韩城矿区为例，结合近几年的研究成果， 融合碎软煤层顶板定向长钻孔高效成孔技术，并结合 水力压裂煤岩致裂区域增透技术综合优势，探索实践 碎软低渗煤层顶板梳状长钻孔水力压裂区域瓦斯高效 抽采新模式。 1抽采模式与可行性 1.1韩城矿区瓦斯地质条件 韩城矿区位于陕西渭北石炭二叠纪煤田东北 段，表现为 NW 向的缓倾单斜构造。矿区东南部是主 要构造变形带的集中区域，分布有韩城下峪口煤矿、 桑树坪煤矿、王峰煤矿等大型煤矿，其他区域构造简单。 矿区内瓦斯灾害严重，主采的山西组 3 号煤层属 于严重突出煤层，曾发生突出事件约 150 次。3 号煤 层平均厚度 4.16 m，煤层顶板以细粒砂岩、泥质砂岩 为主，底板以泥岩和粉砂岩为主，局部含 3下煤层，与 3 号煤层平均间距 4.10 m。3 号煤层原始瓦斯含量 10 m3/t 以上，瓦斯压力最高达 3.0 MPa，煤体坚固性系数f 值 为 0.10.3，煤层透气性为 0.072 90.229 0 m2/MPa2d， 钻孔瓦斯初始体积分数约 10 ，抽采浓度衰减快，短 期内便降至 12，属于典型的碎软低渗煤层。矿区 瓦斯治理难度大，特别表现在顺层深孔施工中，经常发 生顶钻、夹钻、喷孔等现象，一般钻孔施工深度为 100 m、 局部仅 2030 m17。 1.2顶板钻孔水力压裂瓦斯抽采机理与模式 矿区 3 号煤层顶板以细粒砂岩、泥质砂岩为主， 具备施工顶板定向长钻孔条件，但顶板成孔后若没有 外部裂缝的有效联通，扩散较难进行，无法实现渗流， 为此，采用顶板钻孔水力压裂产生沟通煤层的裂缝，在 大流量、高压水动力条件下，煤层上覆岩层发生起裂、 30 煤田地质与勘探第 50 卷 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 扩展、延伸，所形成的人工裂缝与天然裂隙以及煤岩 结合部的弱面有效贯通，煤岩体得以卸压和增透，从而 打破煤层原始应力和瓦斯赋存状态，为瓦斯解吸、扩 散和渗流创造有利条件。此外，顶板钻孔实施层位经 水力致裂形成的裂缝网络缩短了瓦斯在煤层内的扩散 距离，大范围的煤层瓦斯以最短距离扩散至顶板缝隙 所形成的“网络系统”中，在瓦斯压力的驱动下，沿裂 隙不断运移至钻孔，并在负压作用下快速抽出。 限于煤矿井下泵组能力和清水不加砂压裂工艺， 单一顶板钻孔压裂不开分支存在裂缝规模小、卸压 后裂隙闭合等问题，综合考虑压裂效果和抽采效果，提 出“煤层顶板梳状孔水力压裂”区域瓦斯超前抽采模 式，即煤层顶板布置梳状钻孔，以分支孔为导向，降低 岩层起裂压力并借助其发散效应控制压裂范围，同时， 分支孔直接作用于煤体，能够有效增加压裂段与岩体 的接触面积，综合形成以分支孔为一级裂缝、破裂岩 体为二级裂缝的多级渗流网络通道，提高瓦斯产出速 率和效率。煤层顶板梳状钻孔水力压裂强化抽采瓦斯 模式如图 1 所示。 主孔分支孔改造裂缝顶板煤层 扩散区渗流区 图 1 顶板梳状长钻孔水力压裂瓦斯抽采模式 Fig.1 Gas drainage mode of hydraulic fracturing in roof 1.3可行性分析 1.3.1 数值模拟 水力压裂裂隙的扩展方向除了受原始地应力及缝 槽的影响，也会因岩层物性参数、天然裂隙与天然弱 面的接触关系表现出不同的压裂效果18-20。对于跨煤 层和岩层的顶板梳状孔水力压裂，钻孔分支孔延伸进 入煤层起导流作用，使绝大多数水力压裂裂缝在煤层 中延展。同时，考虑整个钻孔压裂效果，应保证钻孔主 孔尽可能靠近煤层、减少无效进尺，同时促使更多的 压裂裂缝由顶板扩展延伸至煤层，这是保障模式效果 的关键。为此，基于韩城矿区的地质条件特征，采用数 值模拟手段，探究压裂裂缝在顶板岩层段中的起裂方 向。通过有限元分析方法模拟分析煤岩体破裂过程， 基本假设如下煤体材料为各向同性的弹脆性介质， 细观基元离散后力学特性服从 Weibull 分布；细观基 元为线弹性体，发生相变前后性质不改变；介质相变临 界值符合 Mohr-Coulomb 准则，忽略由裂隙迅速扩张 而引起的惯性力。 模拟结果图 2 表明当注水压力为 10.2 MPa 时， 钻孔周围开始出现明显裂缝，随着注水压力逐渐升高， 钻孔周围垂向裂缝扩展范围逐渐增大，并逐步向下 部煤层延展。 a 10.2 MPab 12.8 MPac 14.2 MPa 图 2 不同注水压力下钻孔裂缝形态 Fig.2 Fracture morphology under different injection pressures 进一步定量模拟泵注排量 0.6 m3/min、清水压裂 液、压裂液用量 56 m3等压裂参数下的顶板水力压裂 裂缝延展形态，模拟结果图 3 表明，压裂后形成的劈 裂状裂缝，垂向缝高大于水平向缝长，压裂后缝高可延 伸 18.46 m，压裂点裂缝宽度为 0.140 9 mm，说明在一 定层位下，压裂裂缝可延展进煤层。因此，根据数值模 拟结果，结合定向钻进轨迹控制精度和钻孔覆盖未知 应力/MPa宽度剖面/mm水平向缝长/m 0.200.20246810 0.15 0.14 0.13 0.12 0.11 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 缝宽/mm 垂深/m 6.9 390 387 384 381 378 375 372 369 7.27.5 图 3 水力压裂裂缝展布模拟分析 Fig.3 Simulation Analysis of fracture distribution 第 8 期陈冬冬等碎软煤层顶板梳状长钻孔水力压裂区域瓦斯高效抽采模式 31 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 区域地质条件预测精准程度，综合确定梳状钻孔主孔 施工层位控制在距离煤层 5 m 左右。 1.3.2 现场试验 在韩城矿区王峰煤矿现场开展了煤层顶板梳状钻 孔水力压裂现场可行性试验。试验区 3 号煤层厚度 6.0 m，直接顶为粉砂岩、基本顶为中粗粒砂岩，煤层瓦 斯含量 13.74 m3/t、煤层瓦斯压力 3.0 MPa，采用后退 式分支孔工艺，施工主孔 1 个、分支孔 4 个，主孔长 261 m、总进尺 344 m，封孔深度 60 m，即钻孔压裂段 长度为 201 m。试验采用整体压裂工艺，压裂液用量 874.79 m。泵注压力变化如图 4 所示，压力曲线整体 呈锯齿状上下波动，同时伴随局部泵注压力的突然、 明显下降，反映出岩层微裂隙的“起裂扩展延伸”行 为并伴随顶板岩层的明显破裂。压裂后 86 d，钻孔平 均瓦斯体积分数达 42.11，钻孔瓦斯抽采纯量为 8.25 21.41 m3/min、平均 17.02 m3/min 图 5，是同区域采用 穿层钻孔水力冲孔瓦斯抽采纯量的 12.48 倍，验证了 碎软煤层顶板梳状钻孔水力压裂实现瓦斯高效抽采的 可行性。 060120180240300360420480540 7 8 9 10 8.9 MPa8.0 MPa 8.8 MPa8.2 MPa 8.8 MPa8.1 MPa 8.9 MPa8.1 MPa 8.9 MPa8.2 MPa 泵注压力变化/MPa 注水时间/min 图 4 泵注压力变化曲线 Fig.4 Variation curve of fracturing pump pressure 1530456075900 4 8 12 16 20 24 瓦斯抽采纯量瓦斯抽采体积分数 抽采时间/d 瓦斯抽采纯量/m3min1 0 20 40 60 80 100 瓦斯抽采体积分数/ 图 5 钻孔瓦斯量参数变化曲线 Fig.5 Variation curves of gas drainage data parameters 2关键技术 通过数值模拟和现场试验相结合的方式证实模式 可行性，但预期达到覆盖 500 m 区域的压裂抽采仍面 临一系列的技术难题，为此，通过实践形成了地质条件 动态分析、分段水力压裂工艺、封隔器遇阻解卡和压 裂范围连续探查等关键技术。 2.1地质条件动态分析技术 地质条件精准分析是指导钻孔层位和布孔形式重 要依据。由于煤层顶板梳状长钻孔覆盖范围大，仅依 靠地质勘查钻孔已无法满足实际需要。因此，提出了 设计阶段集三维地震、钻孔柱状、已有巷道揭露等数 据综合分析预测，在施工过程中集多源信息融合的地 质条件动态分析技术，对分支孔探查不断修正，保证施 工层位能够控制在距离煤层 5 m 左右。 主要思路为以地质勘探钻孔绘制的采掘平面图 和地质剖面预测图为基础，结合区域三维地震解释资 料以及井下邻近已开拓区域的实际测量资料，对三维 地震资料进行重新解译，分析研究钻孔实施区域的地 质条件，主要为煤层厚度、构造分布、煤层顶底板高程 等地质信息，以此为依据，开展煤层顶板梳状长钻孔设 计与工程施工，在实施中，根据各分支孔实际探查的煤 层顶板高程数据，验证并进一步修正钻孔前方的地质 信息，达到钻孔轨迹的精准控制。 2.2分段水力压裂技术 要在孔深 500 m 钻孔中实施水力压裂，现有整体 压裂技术面临泵注能力不匹配及压裂不均衡等问题。 针对该问题，提出将定向深孔分为多段独立实施压裂 的思路，研制出深孔孔内定点和分段水力压裂工具，该 套工具实现了煤岩层钻孔任一点封隔和压裂，能够有 效封隔非目标层段、降低非必要的地层滤失11,21。 并 根据不同需求，研发提出不动管柱式和拖动式两种分 段压裂工艺。不动管柱式分段压裂工具串组合主要由 导向、单向阀、压差滑套和投球滑套、解卡器、高压油 管和安全孔口组成。拖动式分段水力压裂工具组合主 要由导向、底座、节流器、封隔器、解卡器、高压油管 和安全孔口等组成。 2.3封隔器遇阻解卡技术 对于裸眼压裂而言，由于地层孔隙和裂隙的客观 存在，封隔器在压裂实施过程中，受到其外端自由面和 内端高压水压差的影响，经常出现孔口淋水和流水等 封隔效果不佳的现象，致使高压水携带的煤岩屑在封 隔器内端沉积。封隔效应一旦卸除，沉积的煤岩屑将 迅速流向封隔器与孔壁之间的环空空间，导致封隔器 被卡，造成孔内压裂施工事故。该类孔内事故处理难 度大、风险高，常规方法往往造成孔内压裂管柱折断， 导致压裂工程中断失败、损失较大，特别是拖动式压 裂工艺更是如此。 针对煤层顶板岩层裸眼分段压裂工艺特点，研发 出封隔器解卡装置及工艺方法。解卡装置由低密度球、 阀体、球座、弹簧、下接头等部件组成，如图 6 所示。 32 煤田地质与勘探第 50 卷 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 该装置能够实现遇阻封隔器的紧急、快速和有效洗孔 解卡作业，设备简便、操作简单、风险可控。已实现梳 状长钻孔封隔器遇阻深度 346 m 的成功解卡，有效避 免了经济损失。 阀体 低密度球球座弹簧 下接头 图 6 封隔器遇阻解卡装置 Fig.6 Packer blocking release device 2.4压裂影响范围连续探查技术 针对长钻孔水力压裂影响范围难以连续准确测定 的问题，引入钻孔瞬变电磁探查技术，对长钻孔水力压 裂影响范围进行轴向连续探查。钻孔瞬变电磁探测原 理是将发射线框与接收探头一同送入钻内，沿钻孔轨 迹逐点进行三分量测量，即 X、Y、Z 空间直角坐标系， 通过沿钻孔方向的垂直分量 Z 的二次场分析钻孔周围 可能存在的低阻异常区，通过垂直于钻孔且相互正交 的两组水平分量 X、Y 的二次场分析异常相对于钻孔 的空间方位，最终形成以钻孔为中心、径向一定距离 范围内的圆柱形探测区域22。 钻孔瞬变电磁探查钻孔压裂前后地层视电阻率， 判识钻孔径向范围内地层含水性的变化，将压裂前地 层视电阻率平均值作为背景场，在压裂后的探测成果 中减去背景场，提取出纯异常场，以此确定水力压裂的 影响范围。计算成果如图 7a 所示，图中绿色部分为低 值异常区，颜色越深表明电阻率向低值变化越大，白色 区域为电阻率变化较小区域。该种方式能够实现沿钻 孔轴向连续探测径向一定范围内压裂的均衡性和主要 缝网发育方向图 7b。 3工程实践 在韩城矿区桑树坪二号井 3 号煤层实施了 2 孔次 的顶板梳状长钻孔分段水力压裂区域瓦斯抽采工程实 践。试验地点地层为一走向 NENEE、倾向 NW 的 单斜构造，地质构造简单，煤层厚度 5.97 m，坚固性系 数f 值为 0.10.5，原始瓦斯含量为 6.759.80 m3/t，煤 层直接顶为灰黑色粉砂岩，较致密坚硬。钻孔开孔点 均位于 3 号煤层，由煤层进入直接顶稳定岩层，采用前 进式开分支工艺，分支孔间距 60 m，孔径 98 mm。 1 号钻孔总进尺 1 188 m，主孔长 588 m、开 8 个 分支，采用地质条件动态分析技术实现主孔轨迹控制 距 3 号煤层 2.0 m 左右、最大 3.28 m，如图 8 所示。采 用不动管柱分段压裂工艺，完成 4 段压裂，累计压裂液 用量 2 012 m3，最大泵注压力 8.74 MPa，探查压裂影响 范围为 2040 m。压裂后，钻孔抽采瓦斯体积分数平 均为 41.27 ，瓦斯抽采纯量 1.08 m3/min 图 9，百米 钻孔瓦斯抽采纯量是常规顺层预抽措施的 4.8 倍，抽 采 120 d，瓦斯抽采有效半径达 9.0 m。2 号钻孔总进 尺 921 m，主孔长 486 m、开 5 个分支孔，采用拖动式 分段水力压裂和遇阻加卡工艺，累计压裂 6 段，压裂液 用量 1 586 m3、最大泵注压力 18.5 MPa，压裂范围探 测深度 381 m、压裂影响半径达 35 m 沿钻孔径向范 围均能达到 20 m 以上，图 10。压裂后，钻孔抽采瓦 斯体积分数平均为 48.5、平均抽采纯量 1.6 m3/min。 60708090100110 孔深/m a 压裂后纯异常区计算结果 0 10 20 30 径向距离/m b 主裂隙与钻孔关系解译 钻孔测量起点 钻孔测量终点 X/m Z/m Y/m 30 30 6070 8090100 20 10 0 10 20 30 20 10 0 10 20 30 图 7 压裂影响范围连续探查 Fig.7 Continuous detection results of fracturing influence area 1-2 号 1-1 号1-3 号 1-4 号 1-5 号 1-6 号 1-7 号 主孔 588 m 1-8 号 1-1 号1-2 号1-3 号1-4 号 1-5 号 1-6 号1-7 号 主孔 588 m 1-8 号 封隔器 172.9 m封隔器 2198.28 m封隔器 3274.59 m封隔器 4467.81 m 北胶带大巷 585 m a 钻孔实钻平面 N b 钻孔实钻剖面与封隔器坐封位置 200 220 240 260 高程/m 图 8 1 号钻孔水力压裂剖面 Fig.8 Actual trajectory and hydraulic fracturing of No.1 borehole 第 8 期陈冬冬等碎软煤层顶板梳状长钻孔水力压裂区域瓦斯高效抽采模式 33 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 实践表明，两种分段水力压裂工艺均取得较好的瓦斯 抽采效果。 4规模化压裂应用思路 4.1碎软煤层大区域瓦斯抽采 在生产准备区超前实施瓦斯治理巷道工程，如采 区大巷、采区边界巷、局部顶底抽巷等，利用顶板梳 状长钻孔作为煤层增透兼做瓦斯预抽钻孔，根据压裂 影响范围确定压裂钻孔间距，实现碎软煤层大区域均 衡增透。在压裂钻孔之间，实施大区域顶板梳状煤层 接续长钻孔图 11 中 AA 剖面，提前 23 年甚至更 长预抽多个采掘工作面区域的煤层瓦斯，达到超前降 低或消除碎软煤层瓦斯危险性、减少采掘阶段瓦斯治 理工程投入的目的，实现工作面连续掘进和回采作业， 解决碎软突出煤层矿井接续紧张问题，系统工程布置 如图 11 所示。 6080100120140160180200220240260280300320340360380 30 20 10 0 钻孔压裂段 第 1 段压裂 68125 m 距离/m 孔深/m 1 号2 号3 号4 号5 号6 号7 号 第 2 段压裂 130240 m 第 3 段压裂 244301 m 第 4 段压裂 319376 m 条带异常区 图 10 2 号钻孔轴向压裂影响范围连续探查成果 Fig.10 Fracturning range continuous detection results of No.2 borehole 4.2高瓦斯压力碎软强突煤层远程区域抽采卸压 贵州、淮南、淮北、豫西等碎软煤层分布的高突 瓦斯区实测最大瓦斯压力已达 6.61 MPa23，并且有相 当一部分矿井开拓区域内煤层原始瓦斯压力已超过 3.0 MPa。该区域采取顶板或底板巷穿层钻孔措施存 在不符合防治煤与瓦斯突出细则第六十四条规定， 且钻孔喷孔严重、施工进度慢等问题。为此，可利用 本文模式形成的区域抽采技术，在已形成的煤巷或 顶底板岩巷中实施煤层顶板梳状长钻孔水力压裂超 前抽采，实现高瓦斯压力强突碎软煤层的远程区域抽 采卸压，使得未采掘区域的煤层瓦斯压力降至 3.0 MPa 以下甚至更低，符合细则要求，如图 12 所示。卸压后， 2030405060708090 0 10 20 30 40 50 60 瓦斯抽采体积分数 瓦斯抽采纯量 瓦斯抽采体积分数/ 抽采时间/d 0 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 0.3 瓦斯抽采纯量/m3min1 图 9 1 号钻孔瓦斯抽采量变化曲线 Fig.9 Changing curve of drainage parameters of No.1 borehole 采掘工作面 1 顶抽巷 AA 顶抽巷 AA 剖面图 主孔 分支孔 压裂孔兼预抽孔 区域瓦斯预抽孔 采掘工作面 2采掘工作面 3采掘工作面 4采掘工作面 5采掘工作面 6 区域瓦斯预抽孔 压裂孔兼预抽孔 图 11 碎软煤层大区域瓦斯抽采技术思路 Fig.11 Technical idea of gas drainage in large area 34 煤田地质与勘探第 50 卷 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 穿层钻孔施工效率大幅提高，抽采时，可进一步发挥水 力压裂的增透效应，提高瓦斯抽采效率。 瓦斯压力曲线 瓦斯压力 3.0 MPa 主孔 主孔 瓦斯运移方向 图 12 高瓦斯压力碎软强突煤层远程区域抽采 卸压技术思路 Fig.12 Remote regional drainage and pressure relief in soft and strong outburst coal seam with high gas pressure 5结论 a. 研究提出了碎软低渗单一开采煤层顶板梳状长 钻孔水力压裂区域瓦斯高效抽采模式，采用数值模拟 和现场试验的方法阐明了煤层顶板梳状钻孔水力压裂 裂缝延展规律、抽采机理和泵注压力曲线特征，验证 了模式可行性。建立了集地质条件动态分析、分段水 力压裂、封隔器遇阻解卡和压裂范围连续探查于一体 的顶板梳状长钻孔裸眼分段水力压裂关键技术体系。 b. 在韩城矿区桑树坪二号井 3 号煤层顶板实施 了 2 孔次的梳状长钻孔分段水力压裂区域瓦斯抽采工 程应用。1 号钻孔主孔长 588 m、开 8 个分支，主孔距 3 号煤层 2.0 m 左右，压裂 4 段，压裂影响范围达 20 40 m，钻孔抽采瓦斯体积分数平均为 41.27、瓦斯抽 采纯量 1.08 m3/min，是常规钻孔的 4.8 倍，120 d 瓦斯 抽采有效半径可达 9.0 m。2 号钻孔主孔长 486 m、开 5 个分支，压裂 6 段，压裂范围探测深度 381 m、压裂 影响半径达 35 m；钻孔抽采瓦斯体积分数平均为 48.5、 瓦斯抽采纯量 1.6 m3/min。 c. 该技术模式实现了碎软煤层瓦斯区域高效抽采， 突破了碎软煤层井下长距离、大范围瓦斯预抽的技术 瓶颈，适用于碎软煤层大区域瓦斯抽采以及高瓦斯压 力碎软强突煤层远程区域抽采卸压等规模化生产应用， 提出了两种规模化应用的技术思路。在规模化压裂应 用中，需要对模式的有效抽采卸压范围、煤层增渗提 升程度与均衡性以及长时间23 年抽采下瓦斯抽采 半径等方面进行全面系统的研究和考察。 参考文献References 袁亮. 我国煤矿安全发展战略研究J. 中国煤炭，2021，476 16. 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