王思鵬1,2

　　 (1河南理工大學(xué)，河南省焦作市，454003；

　　 2 河南省煤層氣開發(fā)利用有限公司，河南省鄭州市，450016）

摘  要 介紹了水力壓裂增透新技術(shù)的特點(diǎn)，在平頂山等礦區(qū)共實(shí)施了250余次工業(yè)性試驗(yàn)，結(jié)果表明，水力壓裂增透新技術(shù)可使煤層透氣性系數(shù)增加近千倍，單孔瓦斯抽采量增加上百倍，是突出煤層實(shí)現(xiàn)區(qū)域消突的一條有效途徑。

　　 關(guān)鍵詞：低滲煤層，增加透氣性，瓦斯抽采率

　　 目前，我國(guó)高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井總數(shù)有6000余座，占我國(guó)煤礦總數(shù)的一半左右。隨著開采深度和強(qiáng)度的逐步增加，瓦斯治理的難度將越來越大?！斗乐姑号c瓦斯突出規(guī)定》要求：“防突工作堅(jiān)持區(qū)域防突措施先行、局部防突措施補(bǔ)充的原則”，“區(qū)域防突措施是指在突出煤層進(jìn)行采掘前，對(duì)突出煤層較大范圍內(nèi)采取的防突措施。區(qū)域防突措施包括開采保護(hù)層和預(yù)抽煤層瓦斯”。開采保護(hù)層技術(shù)目前已經(jīng)應(yīng)用的相當(dāng)成熟；對(duì)于沒有保護(hù)層的單一煤層，如何提高抽采率以達(dá)到消突的目的，是多年來煤礦技術(shù)人員一直研究的問題。

　　 1 增加煤層透氣性是提高瓦斯抽采率的關(guān)鍵

　　 我國(guó)82%的煤層透氣性小于1mD，國(guó)內(nèi)透氣性最好的撫順煤田也僅有0.54~3.8mD，比美國(guó)低2~3個(gè)數(shù)量級(jí)。多年來，為提高瓦斯瓦斯抽采率，科研工作者、工程技術(shù)人員采用了提高抽采設(shè)備功率、增大抽采孔徑、增加抽采孔數(shù)、嚴(yán)格封孔、采用新技術(shù)等措施，但是我國(guó)礦井瓦斯平均抽采率僅有23%，而美國(guó)、澳大利亞等主要產(chǎn)煤國(guó)家的抽采率均在50%以上，盡管存在設(shè)備和工藝等差異，但進(jìn)一步的煤層透氣性低是影響瓦斯抽采率的根本原因。因此，提高瓦斯抽采率，關(guān)鍵是研究出低滲煤層增加透氣性的實(shí)用技術(shù)。

　　 2 傳統(tǒng)增透技術(shù)概要

　　 我國(guó)自20世紀(jì)70年代以來對(duì)低透氣性、難抽、高瓦斯和突出危險(xiǎn)煤層進(jìn)行了多種瓦斯抽采卸壓增透技術(shù)的探索性試驗(yàn)研究。基于對(duì)突出機(jī)理認(rèn)識(shí)，目前防治瓦斯災(zāi)害遵循：卸壓、增透并強(qiáng)化抽采瓦斯、提高煤體穩(wěn)定性、改變煤體性質(zhì)等基本原則，對(duì)于單一煤層采用了諸如：水力沖孔、水力割縫、水力擠出、深孔松動(dòng)爆破和深孔控制爆破等增透、增加抽采率措施。

　　 這些措施把水作為濕潤(rùn)劑或者動(dòng)力來改造煤體，起到了一定效果，但是未能從根本上解決區(qū)域性瓦斯治理難題，未能整體卸壓增透、大幅度提高煤層瓦斯抽放率：水力沖孔技術(shù)在鉆沖影響范圍內(nèi)地應(yīng)力降低、使煤層透氣性增高，促進(jìn)瓦斯解吸和排放，煤體強(qiáng)度增高和濕度增加，但是一般只能應(yīng)用f值小于0.5的軟煤層，適用性差、工藝復(fù)雜，主要用于石門揭煤或自噴能力強(qiáng)的軟分層；水力割縫技術(shù)能提高瓦斯自然排放量，起到增透與卸壓的效果，但割縫深度不夠，保護(hù)距離不足，工作量大；水力擠出技術(shù)可以造成煤體位移，為瓦斯運(yùn)移提供通道，但效果不明顯。重要的是上述措施導(dǎo)致操作工人與煤體“短兵相接”，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)極可能因孔口突然噴出的大量高壓力煤與瓦斯釀成重大事故，危險(xiǎn)性極大；而且這些措施的卸壓影響半徑不大，在 “區(qū)域防突措施先行、局部防突措施補(bǔ)充”、“不掘突出頭、不采突出面”的要求下，局限性非常明顯。

　　 3 水力壓裂增透新技術(shù)

1. 1. 理論研究和設(shè)備研發(fā)

　　井下水力定向壓裂增透新技術(shù)的基本原理是借助高壓流體對(duì)煤層雙重介質(zhì)體的劈裂作用，通過氣固液多相多場(chǎng)耦合，使弱面發(fā)生張開、擴(kuò)展和延伸，一方面原生孔裂隙的張開和擴(kuò)展，增加了煤體孔隙率，另一方面原生孔裂隙的延伸增加了裂隙之間的連通，從而形成相互交織的多裂隙連通網(wǎng)絡(luò)，增加了瓦斯的運(yùn)移通道（見圖1），正是由于這種裂隙連通網(wǎng)絡(luò)的形成，致使煤層滲透率大大提高，煤體實(shí)現(xiàn)整體均勻卸壓，吸附瓦斯快速解析，從而增加瓦斯抽采量，降低煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性。

　　在理論研究的基礎(chǔ)上，受地面打井、壓裂、正壓排采煤層氣技術(shù)的啟發(fā)，結(jié)合煤礦井下負(fù)壓抽采瓦斯系統(tǒng)、采動(dòng)影響下的圍巖運(yùn)移規(guī)律，研發(fā)了適用于井下環(huán)境的打鉆、封孔、壓裂、抽采等環(huán)節(jié)的成套設(shè)備；設(shè)計(jì)了工藝流程，制訂了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和作業(yè)規(guī)程；為了在提高瓦斯抽采率的同時(shí)增加該技術(shù)的防煤塵防自燃效果，我們研制了針對(duì)不同煤層的系列壓裂液；為了確保安全，我們研制了轉(zhuǎn)杯遠(yuǎn)程視頻功能的操作指揮車，遠(yuǎn)離壓裂現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)第2作業(yè)地點(diǎn)遠(yuǎn)程操作。見圖2、圖3所示。

1. 1. 應(yīng)用實(shí)例

自2008年9月開始實(shí)施以來，該技術(shù)先后在平頂山、鶴壁、鄭州、焦作、宜洛、禹縣等礦區(qū)共實(shí)施了250余次工業(yè)性試驗(yàn)，基本涵蓋了河南省不同地質(zhì)類型的礦區(qū)。下面就平煤十礦和鶴煤六礦為例說明試驗(yàn)結(jié)果。

　　 實(shí)例1。

　　 平煤十礦位于平頂山礦區(qū)東部，瓦斯含量12.7～30 m3/t，瓦斯壓力1.5～2.4MPa，透氣性0.0013～0.0019mD，極難抽采，屬突出煤層。目前礦井涌出量占平煤集團(tuán)公司涌出總量的1/5，位列河南省第2，是平頂山礦區(qū)瓦斯災(zāi)害最為嚴(yán)重的礦井，歷史上發(fā)生煤與瓦斯突出事故逾50次，突出煤量2000 t。2008年10月，在24110工作面機(jī)巷、風(fēng)巷、對(duì)應(yīng)的底抽巷進(jìn)行井下定向壓裂增透，經(jīng)強(qiáng)化抽采并效檢后，消除了工作面的突出危險(xiǎn)，壓裂效果參數(shù)對(duì)比見表1。

表1  十礦壓裂前后情況對(duì)比

對(duì)24110工作面剩余區(qū)段進(jìn)行回采，統(tǒng)計(jì)90次效檢指標(biāo)，共有4個(gè)指標(biāo)超標(biāo)，超標(biāo)率為4.4%，效檢超標(biāo)幅度顯著降低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于以前13.4~16%的效檢超標(biāo)率，大幅度降低了防突措施工程量，有效提高了回采生產(chǎn)效率。

　　 同時(shí)，壓裂前后在壓裂影響范圍內(nèi)進(jìn)行各工序粉塵含量監(jiān)測(cè)，壓裂后割煤、鉆孔施工工序粉塵含量均有大幅度降低，降幅達(dá)58.18%，有效改善了工作面作業(yè)環(huán)境，降低了職業(yè)病害發(fā)生率。

　　 實(shí)例2。

　　 鶴煤六礦2115工作面位于煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)域，煤層瓦斯含量高、壓力大，掘進(jìn)期間煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性效檢指標(biāo)經(jīng)常超標(biāo)，消突工程量大、周期長(zhǎng)、效果差，掘進(jìn)速度極低，9個(gè)月累計(jì)總進(jìn)尺110.5 m。于2008年10月底，在2115下順槽通尺110.5 m處巷道迎頭進(jìn)行井下壓裂增透技術(shù)應(yīng)用。

　　 截至2009年8月17日，2115下順槽壓裂6次，瓦斯抽采總量72萬 m3，實(shí)現(xiàn)安全掘進(jìn)巷道逾400 m。巷道掘進(jìn)速度提高3～4倍，壓裂后共效檢142次，其中超標(biāo)5次，效檢超標(biāo)率3.2%，與壓裂前超標(biāo)率35%相比，突出危險(xiǎn)性效檢指標(biāo)超標(biāo)率顯著下降，大大提高了掘進(jìn)速度，有效緩解了采掘工作面接替緊張的局面，效檢情況見圖4。

　　 掘進(jìn)工作面粉塵危害嚴(yán)重，掘進(jìn)工作面壓裂有效降低了粉塵濃度，改善了作業(yè)環(huán)境。2115下順槽掘進(jìn)頭壓裂抽采后，炮后煤塵濃度由壓裂前4.36～10.44 mg/ m3，降低到了0.78～2.68 mg/ m3，降塵率74.33～82.11%。

　　 4 結(jié)論

　　 井下定向水力壓裂增透新技術(shù)，可以均衡壓裂煤體并溝通已有裂隙，為瓦斯運(yùn)移提供通道，增加煤層透氣性，提高瓦斯抽采率。通過在河南煤礦300余次不同地質(zhì)條件下的井下成功壓裂，技術(shù)的有效性、適用性、安全性。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，實(shí)施該技術(shù)，煤層滲透系數(shù)可提高近千倍，單孔瓦斯抽采量可提高上百倍，衰減系數(shù)可降低7.45倍。

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作者簡(jiǎn)介：王思鵬(1963-)，男，河南湯陰人，河南理工大學(xué)在讀博士，教授級(jí)高工，主要從事煤礦安全方面的研究工作，現(xiàn)任河南煤層氣開發(fā)利用公司總經(jīng)理，