探索水力压裂增透技术在煤巷掘进中的应用.doc

1、探索水力压裂增透技术在煤巷掘进中的应用摘要：随着经济的发展，我国对煤炭的需求量越来越大，在煤炭开采过程中，瓦斯的抽采是个不容忽视的问题，针对高瓦斯低透气性突出煤层，若直接采用钻孔抽放瓦斯，则存在抽采效果差、抽放时间长、抽放率不高的问题。为提高低透气性煤层的抽放效率，达到预防瓦斯突出的效果，采用水力压裂能够增加煤层透气性，提高单孔瓦斯抽采浓度和流量，减少防突施工对掘进工作的影响，提高预抽瓦斯效果，减少掘进面生产期间的安全隐患。本文结合某煤矿工程实例对水力压裂增透技术在煤巷掘进中的应用做出了阐述。 关键词：煤炭开采，水力压裂增透，煤巷掘进，应用 中图分类号：F407.21 文献标识码： A 引言：

2、随着矿井向深部水平延伸开采，煤层埋藏深度加深，矿山压力、地应力、瓦斯压力越来越大，瓦斯含量逐渐增加，发生煤与瓦斯突出事故机率与强度随之增强，瓦斯治理难度越来越难。瓦斯抽采严重制约 K1 煤层石门揭煤及其工作面掘进，从而造成“三超前”部署脱节。高压水力压裂增透技术的引进，取得一定成效，将该项技术应用于 K1 煤层石门揭煤及掘进条带，大大缩短 K1 煤层石门揭煤及巷道掘进时间，瓦斯抽采量及掘进单进均大幅度增加，杜绝了瓦斯事故发生，确保矿井安全生产。 1、我国煤矿瓦斯抽采现状 随着我国对煤炭需求量的增加，煤矿开采深度不断增加，对于煤矿瓦斯抽采问题，目前，我国煤矿瓦斯抽采效果总体不佳，主要受限于煤层的

3、低透气性和煤层松软的结构特点，故提高松软煤层的透气性是亟待解决的难题。地面煤层气井上压裂能够大规模地改善煤层透气性差的问题，但一次性投入较大，排水降压采气周期较长，不能满足煤矿生产的要求，而且地面开发技术目前还局限于原生结构保存较完好的煤层中。井下钻孔预抽煤层瓦斯适用于开采单一煤层和煤层群开采首采突出矿井，其技术途径主要有两个: (1)通过预先松动原始煤体提高煤层的透气性，如水力割缝、大直径钻孔预抽本煤层瓦斯和保护层开采技术等; (2)采用合理布孔实现本煤层边采边抽的卸压抽采，如穿层网络钻孔、顺层交叉钻孔或迎面斜钻孔布孔方式等。以上技术均取得了一定效果，但如果煤层赋存地质条件特殊时，采用这些技

4、术松动卸压的范围不足以达到区域增透的目的， 2、压裂增透原理及系统组成 2.1 压裂增透原理 井下水力定向压裂增透技术基本原理是借助高压水流对煤层渗透作用，通过气、固、液多相多场耦合，使弱面发生张开、扩展和延伸形成裂隙，对煤层形成内部分割。在层理或切割裂隙张开度增大的过程中，其张开壁面的切向拉应力增加。当在某位置的切向拉应力大于与此相连的次级弱面的壁面之间的联结力和相应切线方向的原始应力之和时，将在该位置处发生次级弱面起裂，水在压力作用下进入其中，同样发生上一级弱面所经历的扩展延伸过程，依此规律反复发展下去，直至达到煤分层中的微裂隙，水便达到对煤层的逐级分割作用。这种分割过程一方面通过弱面的张

5、开和扩展增加了裂隙等弱面的空间体积，提高层理或切割裂隙的张开度和导通性;另一方面通过裂隙等弱面的延伸增加了裂隙之间的连通，从而形成一个相互交织的多裂隙连通网络。正是由于这种裂隙连通网络的形成，煤层透气性才得到有效提高。 致使煤层渗透率大大提高，煤体实现整体均匀卸压，吸附瓦斯快速解析，从而增加瓦斯抽采量。 2.2 压裂系统组成 水力压裂系统由供电系统、供水系统、压裂系统三部分组成，其中压裂系统由注水泵、水箱、远方控制箱、监控系统、钻孔孔内压裂管、高压连接胶管及相关装置连接接头等组成。 本煤矿工程的核心设备选用南京六合煤机厂生产的 BZW56 /200 型高压煤层注水泵提供系统压力。 3、压裂增透

6、关键技术 3. 1 高压水力压裂钻孔布置 压裂钻孔布置在 K1 煤层底板茅口巷灰岩浅钻场，岩柱 l0m 以上，压裂半径，100m，控制预处理整个区域。 3. 2 高压水力压裂孔封孔 （1）封孔器具及材料 s 钻孔内压裂管采用重庆迈尔公司生产的无缝高压钢管。孔底端为 1根 2m 长、内径 25 mm、外径 42 mm,螺纹连接且分布直径为 12 mm 筛孔的筛管;筛管下方通过螺纹连接直管，连接直管长度为 1.6m/根，壁厚为 8. 5 mm，连接直管通过一根变径管连接 1.6mx25mmx13mm 孔口连接管，孔口连接管下端安装有孔口连接底座。底座一端连接孔口连接管，一端带一个内径 25 mm

7、的快速接头。孔口连接座上的快速接头连接高压钢编管即可，为确保封孔过程中钢管不从孔内向下滑，还需在孔口最后一根钢管外露段加工支撑块。孔内密封材料为水泥浆，水泥浆按照水泥:白水泥:膨胀剂:水=56: 16: 7: 30 的比例进行配置，并需迅速搅拌均匀，严禁将大颗粒送入封孔泵内。 （2）封孔工艺 压裂钻孔施工成功后，用 X91 mm 钻头扩孔至 K,煤层底板，并用常压水清洗钻孔。压裂管采用钻机送入，直接送入压裂钻孔孔底，压裂管孔内连接顺序为:筛管、连接直管、变径管、孔口连接管。筛管下部 50 一100 mm 段使用纱布将筛孔蒙住，以防止水泥砂浆进入压裂管造成堵塞。筛管与第一根连接管连接处，使用 1

8、2“铁丝将棉纱缠绕于钢管上，棉纱缠绕长度为 20 cm 左右，棉纱缠绕厚度以缠绕后该部分刚好能通过 X91 mm 钻孔为宜，且保证在将压裂管送入孔底过程中棉纱不下滑。此处棉纱起到封堵水泥砂浆及过滤水的作用。 注浆管采用 cp16 mm 胶管，筛管以下 2m 与孔内直管一同捆扎同时送入钻孔内。将压裂管及注浆管都送达指定位置后，再将他们一齐后退 2m然后将最后一根压裂连接直管与注浆管使用棉纱缠绕在一起，然后使用马丽散浇灌在棉纱上，马丽散必须混合均匀，且充分浇灌于棉纱上。浇灌马丽散后再迅速将压裂管送入孔底。待马丽散完全凝固后，方可进行注浆。注浆管口与截止阀连接，截止阀与注浆泵注浆管连接;注浆时开启球

9、阀，注浆结束后及时关闭截止阀。 采用 BFK 一 15 /2. 4 型高压封孔泵进行注浆，水泥浆配比需严格按上文要求执行，一次注浆待压裂管内流出水后即停止，关闭注浆管上截止阀，断开注浆管与封孔泵的连接，再打 开截止阀，将注浆管内水泥浆放完。养护 24 小时后，再使用此注浆管进行二次注浆。二次注浆待压裂管内流出水后即停止，关闭截止阀、断开注浆管与封孔泵的连接，养护 24 小时后方可进行压裂。 4、压裂增透应用及效果 从 2011 年起水力压力增透技术分别应用于 K1 煤层石门揭煤及掘进条带。2124 一 3 工作面切割进行 2 个钻孔压裂、- 60 m 阶段抬高八石门揭 K,煤层进行 1 个钻孔

10、压裂,3111 一 1 一 2 运输巷掘进条带进行 3 个钻孔压裂。前期采用水力割缝进行煤层增透，K1 煤层石门揭煤及掘进条带穿层高压水力压裂与同等条件水力割缝相比，增透效果十分明显。石门揭煤日抽采量压裂比割缝增加 134. 53%；工作面切割掘进条带日抽采量压裂比割缝增加 124. 52% ；运巷掘进条带日抽采量压裂比割缝增加 10. 58 倍。单孔流量:石门揭煤压裂是割缝的 5. 59 倍;切割掘进条带压裂是割缝的 5. 46 倍;运巷掘进条带压裂是割缝的 3. 23 倍。打防突预测孔:石门揭煤压裂后掘进 K、值无超标、无喷孔现象，而割缝后掘进 K1 值超标 3 个、喷孔 1 个;工作面切

11、割压裂后掘进 K,值无超标、无喷孔现象，而割缝后掘进 K，值超标 7 个、喷孔 2 个;运巷掘进条带压裂后掘进 K,值超标 4 个、无喷孔现象，而割缝后掘进 K，值超标 20 个、喷孔 5 个。掘进瓦斯:石门揭煤压裂后掘进最高瓦斯浓度 0. 25 %、无瓦斯超限，而割缝后掘进最高瓦斯浓度 1.24%、瓦斯超限 3 次;工作面切割压裂后掘进最高瓦斯浓度 0. 38%、无瓦斯超限，而割缝后掘进最高瓦斯浓度 1. 53%、瓦斯超限 4 次;运巷掘进条带压裂后掘进最高瓦斯浓度 0. 52%、无瓦斯超限，而割缝后掘进最高瓦斯浓度 3. 58%、瓦斯超限 12 次。巷道掘进:压裂比割缝提前 13 天揭开

12、K1 煤层石门;压裂比割缝提前 20 天贯通 94 m 工作面切割巷;压裂比割缝提前 223 天贯通 430 m 运巷防突掘进工作面。 结语 利用水力压裂技术能够提高水力压裂影响范围内煤层的透气性，瓦斯的流动性显著增强。水力压裂的效果与水力压裂的压力，封孔材料，钻孔布置密切相关，应进行进一步试验研究，提高水力压裂的效果。实施水力压裂后，大幅度提高了瓦斯抽采浓度和瓦斯抽采流量，使掘进面瓦斯抽放率提高了 120 %，从而达到抽采量和掘进单进增产的目的，为“三超前”部署赢得时间和空间，确保了矿井安全生产。 参考文献 1林柏泉矿井瓦斯防治理论与技术M徐州:中国矿业大学出版社，2010 2胡殿明，林柏泉煤层瓦斯赋存规律及防治技术M徐州:中国矿业大学出版社，2006 3余长林提高低透气性煤层钻孔抽放瓦斯的途径J煤矿安全，1999,(5):35 一 36