煤矿水力压裂增透抽采瓦斯存在问题及对策.pdf

2020 年第 8 期2020 年 8 月 中国大多数煤矿实际的地质条件相对比较复杂， 而且高瓦斯煤层占比超过 70，而其中又有 70左右 的煤层属于高瓦斯低透气性煤层。针对这种情况，只 有全面实施拆迁区域瓦斯抽采，才能够实现煤炭资源 与瓦斯共采，并从最大程度上减少环境污染。在对高 瓦斯低透气性煤层卸压增透技术进行进一步的深入研 究之后，水力压裂技术得到了非常广泛的应用，而这 种技术主要是通过水这种介质来对煤体进行卸压，并 在这个过程中使煤层之间产生相互沟通的裂隙，有效 提升瓦斯抽采效果。但从近几年的研究过程中发现， 低渗透煤层瓦斯抽采中也存在各种各样的问题，从而 使得该技术的全面推广受到了极大的制约。 1研究现状 1.1室内实验及理论研究 目前中国在具体针对煤矿井下水力压裂等方面进 行研究的过程中，大多数集中在室内压裂实验、理论 分析以及数值模拟等几个方面，很少针对煤层压裂过 程中岩石应力及渗透率演化等方面开展研究。研究者 充分利用空心包体应变剂来对实施水力压裂前后处在 钻孔位置周边的煤层应力变化状况，以及在具体实施 水力压裂之后工作面在推进过程中前段煤层压力实际 产生的变化进行监测，在此基础上对坚硬顶板的具体 放顶作业形成了有效的指导，而且对于水力压裂增透 抽采瓦斯也起到了很好的借鉴作用[1]。 1.2现场试验及工业应用 近几年来，中国很多煤矿企业在钻孔水力压裂的试 验方面取得了一定的进展。重庆能源集团针对其煤矿井 下突出矿井前后进行了 100 多次试验，在全面实施水力 压裂之后，煤层的透气性得到了全面的提升，同时在现 场施工过程中发现，与常规的预抽方法相比较，压裂钻 场预抽能够将瓦斯的体积分数提升 6.5 倍左右，而且整 个试验过程所花费的时间也缩短了 4 个月左右。另外， 在整个试验过程中并没有出现各项指标超标等问题，但 是某些试验并没有达到预期的效果[2]。 2水力压裂增透抽采瓦斯存在的问题分析 2.1井下水力压裂理论基础需要进一步强化 首先必须加大对当前煤层瓦斯抽采地质勘探技术 的开发力度，这样才能够为全面实施水力压裂抽采瓦 斯提供科学的指导。在煤层瓦斯抽采具体实施的过程 中，瓦斯赋存条件是非常关键的一个因素。在煤层增透 过程中，井下水力压裂是一项非常重要的技术，而煤层 瓦斯赋存条件在很大程度上会对水力压裂具体的实施 效果产生极大的影响。虽然当前在实施水力压裂的过程 中全面考虑了煤矿井下的各种地质因素，但是并没有针 对性地总结出各项地质指标，多数情况下还是通过人为 主观意识来判断。因此必须进一步提升当前的煤矿勘探 装备技术水平。同时，由于煤炭的连续开采在很大程度 上会受到大规模抽采的严重制约，而在实际抽采过程 中，通常情况下是对煤层瓦斯的赋存区域一概而论，并 没有针对性地具体开展抽采设计及压裂设计。而要想彻 底解决这些问题，就必须在抽采地质理论方面为抽采设 收稿日期2020-01-15 作者简介班耀武，1984年生，男，山西临猗人，2016年毕业于太 原理工大学采矿工程专业，工程师。 煤矿水力压裂增透抽采瓦斯存在问题及对策 班耀武 （ 阳泉煤业集团翼城东沟煤业有限公司，山西 翼城 043500 ） 摘要 在对中国目前煤矿井下水力压裂增透抽采瓦斯的相关研究成果进行全面的分析总结之后，深入探讨了目前中 国煤矿井下钻孔水力压裂实际取得的成果及存在的问题，提出了水力压裂增透抽采瓦斯存在问题的解决对策，力争在煤 矿井下水力压裂增透抽采瓦斯方面形成完善的理论及技术体系。 关键词 煤矿井下；水力压裂；抽采瓦斯；装备技术水平 中图分类号 TD712.6文献标识码 A文章编号 2095-0802-202008-0029-02 Problems and Countermeasures of Gas Drainage by Hydraulic Fracturing and Permeability Enhancing in Coal Mines BAN Yaowu Yicheng Donggou Coal Industry Co., Ltd., Yangquan Coal Industry Group, Yicheng 043500, Shanxi, China Abstract After a comprehensive analysis and summary of the relevant research results of hydraulic fracturing and permeability enhancing gas drainage in coal mines in China, this paper deeply discussed the actual achievements and existing problems of hydraulic fracturing in underground boreholes in Chinas coal mines, and put forward solutions to the problems in gas drainage by hydraulic fracturing and permeability enhancing, striving to a perfect theoretical and technical system for gas drainage by hydraulic fracturing and permeability enhancing. Key words underground coal mine; hydraulic fracturing; gas drainage; equipment technology level （总第 179 期） 能源研究 29 2020 年第 8 期2020 年 8 月 计提供更加科学的指导。 另外，还需要针对各种主客观因素影响下裂缝的 延伸拓展规律进行深入的研究。上覆岩层压力及水平方 向产生的主应力在很大程度上会对水力压裂的裂缝开启 及延伸产生较大的影响，与此同时，煤层岩石特性、厚 度、倾角、含水性等各种自然客观特征也都会对裂缝的 延伸拓展规律产生影响。而从主观方面来讲，水力压裂 的工艺、相关参数及钻孔方位、钻孔长度、排水时间等 也会对最终的效果产生一定程度的影响，但是目前大多 数煤矿企业在具体实施井下水力压裂的过程中并没有 对各种主客观方面的关键因素予以充分考虑[3]。 2.2井下水力压裂装备水平有待进一步提升 图 1 所示为目前中国煤矿领域应用的几种主要的 井下钻孔水力压裂泵组。设备本身的体积完全允许其 在井下巷道狭窄的空间内移动，但是在实际进行钻孔 水力压裂作业的过程中，通常情况下都将设备设定在 某一个额定挡位上，而极限岗位并不适合长期作业， 在这种情况下，注入压力及实际的流量就会受到设备 系统电机功率的严重限制，导致井下钻孔水力压裂的 实际压力变化状况并不能得以真实反映。与此同时， 还必须进一步提升整个系统远距离监控性能。 在实际进行井下水力压裂施工的过程中，钻孔封 孔质量最终决定了施工的实际效果。目前，封孔主要 采用的是水泥浆注浆方式，但是这种施工工艺本身相 对比较复杂，而且实际施工难度也相对较大，封孔作 业过程会消耗很多时间，作业成本也相对较高。鉴于 此，应该充分使用系统中的封隔器。目前，针对煤矿井 下的水力压裂钻孔施工，中国已经研制出一种胶囊式 膨胀钻孔封孔器，并且在水力压裂施工中已经取得了 不错的成果，但是在实际应用过程中可能会受到钻孔 成孔率及钻孔质量的限制，而且钻孔封孔器本身膨胀 率也具有一定的极限，因此并没有得到进一步的推广 应用。为了能够有效改善这一局面，目前中国一些高 校及煤矿企业针对专用的井下水力压裂封孔材料开展了 深入研究，而且实际效果非常明显，但是在实际应用过 程中，工艺及成本等方面还需要进一步优化和控制。 3水力压裂增透抽采瓦斯存在问题的解决对策 3.1加大瓦斯抽采地质研究力度 充分结合瓦斯地质学、渗流力学等相关基础科学， 不断强化对瓦斯抽采地质勘探技术的深入研究，在此 基础上才能够实现针对性的水力压裂施工，并为瓦斯 抽采工艺以及各项施工参数的进一步优化提供基本 保障。 3.2有效提升煤矿井下水力压裂装备技术水平 当前，要大力推进对钻孔轨迹无线随钻监测仪的 研究，充分利用井下钻孔定位水力压裂工艺来进一步 提升煤岩非均质体的压裂均衡性；与此同时，还要进 一步优化水力压裂泵组的整体性能，并实现对其应用 成本的有效控制；不断加大对当前水力压裂过程中所 使用钻孔封孔材料的研究力度，开发出新型的钻孔封 孔材料，并对材料的使用成本进行有效控制[4]；不断强 化对水力压裂过程中所涉及到的裂缝监测设备等的研 究，并进一步完善煤层钻孔瓦斯抽采参数的各种测试装 备；通过建立合理的地质模型，并通过三维可视化技术 的应用来实现对井下瓦斯抽采效果的有效评价。 4结语 近几年来，整个煤炭领域加大了对大排量水力压裂 泵组的研发力度，与此同时，相关的理论研究及技术 研究方面也得到了进一步的完善，并在煤矿实际开采 过程中取得了一定的成果。但是从实际应用效果来看， 目前并没有一种水力压裂技术能够在煤矿井下开采中 得到全面的推广应用。在这种情况下，必须不断强化 对煤矿井下水力压裂工艺的深入研究，及时发现其中 存在的问题，并提出有效的解决对策。 参考文献 ［1］ 康向涛.煤层水力压裂裂缝扩展规律及瓦斯抽采钻孔优化研 究 ［D］ .重庆重庆大学， 2014. ［2］ 王耀锋， 何学秋， 王恩元， 等.水力化煤层增透技术研究进展及 发展趋势 ［J］ .煤炭学报， 2014， 3910 1945-1955. ［3］ 郭启文， 韩炜， 张文勇， 等.煤矿井下水力压裂增透抽采机理及 应用研究 ［J］ .煤炭科学技术， 2011， 3912 60-64. ［4］ 孙四清， 张群， 闫志铭， 等.碎软低渗高突煤层井下长钻孔整体 水力压裂增透工程实践 ［J］ .煤炭学报， 2017， 429 2337-2344. （ 责任编辑刘晓芳 ） c 电动泵 图 1几种井下钻孔水力压裂泵组图 a 柱塞泵 b 真空泵 30