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1、瓦斯抽采水力压裂增透技术六枝工矿（集团）化处煤炭分公司2015年4月一、矿井煤层瓦斯赋存情况化处煤炭分公司为六枝工矿（集团）有限责任公司下属公司（以下简 称化处煤矿），位于大煤山背斜西翼，矿区总面积11.1698km2，主采7号 煤层。设计生产能力30万t/a，核定生产能力36万t/a。7号煤层厚度为0.339.80m，一般34m，平均倾角22，瓦斯放散 初速度为16、煤层透气性系数为0.32620.7601m2/ （MPa2.d）、钻孔瓦斯 流量衰减系数为0.05620.8167d-1、坚固性系数为0.11。煤层瓦斯压力超过 1.3MPa，瓦斯含量超过15m3/t7号煤层煤尘有爆炸危险，自燃
2、倾向等级为二类自燃，最短发火期为1个月。1=1二、瓦斯抽采水力压裂增透技术应用1、水力压裂增透技术实施背景化处煤矿单一开采7号煤层，不具备保护层开采条件，煤层透气性差， 常规瓦斯抽采技术预抽困难，煤层松软，钻孔塌孔、卡钻、喷孔现象严重， 钻孔流量不稳定、衰减速度快，难以保证抽采效果，瓦斯治理投入大等。 为解决上述问题，于2010年底分别在2372机巷、机巷迎头和1470底板抽 放巷实施了本煤层和底板穿层水力压裂增透技术。2、压裂钻孔的布置及参数2372机巷施工本煤层上行钻孔1#、2#、3#，压裂孔间距依次为25m 和30.6m，3个压裂孔控制压裂区域110米左右如图2-1，钻孔参数如表2-1。
3、 2#、3#压裂孔间施工9个抽采孔，1#、2#压裂孔间施工8个，1#、3#压裂孔 外各施工5个，抽采孔间距由2米提高到3米。2372机巷迎头施工4#、5#压裂孔如图2-2，钻孔参数如表2-2。在1470中巷19#、20#、21#钻场施工1个压裂孔、1个卸压孔，并 在钻场间巷道中部施工高角度孔各1个，共计5个压裂孔如图2-3,钻孔参 数如表2-3。2#3#2372 中巷 55.1m59,55.0m f30.Uni30.30,0m6m 2372 机巷I图2-1 2372机巷本煤层水力压裂钻孔布置图表2-1 2372机巷本煤层水力压裂钻孔参数类型孔深/m孔径/mm封孔深度/m方位角/倾角/本煤层1#
4、5589306723本煤层2#6089306723本煤层3#5589306723图2-2 2372机巷迎头水力压裂钻孔布置图表2-2 2372机巷迎头水力压裂钻孔参数类型孔深/m孔径/mm封孔深度/m与巷道掘进方向/倾角/迎头4#618930-11 50-5 13迎头5#60.589306 390 2718m中2# m.中4#2021 八m-卸压孔,卸压孔,:.卸压孔19221470机巷中1#中3#图2-3 1470中9窖水力压裂钻孔布置图卸压孔19#钻场图2-4 19#钻场钻孔布置剖面示意图 表2-4 1470中巷水力压裂钻孔参数类型孔深/m孔径/mm封孔深度/m倾角/中1#54.48952
5、.47中2#23.48921.449中3#45.58943.57中4#25892371中5#36.58934.573、压裂范围的确定每组压裂孔设计3个，每组压裂钻孔间距为30m，1号孔为压裂孔， 设计在1470机巷掘进条巷道中间，2号为卸压孔，设计在1470机巷掘进巷 道上帮轮廓线往上20m位置，3号孔为卸压孔，设计在1470机巷掘进巷道 下帮轮廓线往下20m位置，压裂孔压裂半径为：纵向40m，横向30m。在每压裂一组压裂孔时，必须先将该组的2号卸压孔用高压堵头堵 严，压裂管接在1号压裂钻孔上，开始实施压裂，当高压水压力达到要求 后，高压水穿透煤层后从3号卸压孔流出后，压力开始下降，证明该压裂
6、 孔已压透机巷掘进条带巷道轮廓下帮20m，待压力完全卸压后，再将3号 卸压孔用高压堵头堵严，压裂管接在1号压裂钻孔上，开始实施压裂，当 高压水压力达到要求后，高压水穿透煤层后从2号卸压孔流出后，压力开 始下降，证明该压裂孔已压透机巷掘进条带巷道轮廓上帮20m，待压力完 全卸压后，再将2、3号卸压孔全堵上，对1号孔再次进行压裂，直至该组 1号压裂孔与另一组压裂孔的1、2、3号钻孔穿透勾通，说明压裂半径已达 到设计要求，该组压裂结束，以此依次顺序往下进行压裂。4、增压区及卸压区判定煤层压裂增透技术，主要是通过高压水切割煤层，使煤层产生裂隙， 由于高压水的注入，势必破坏原有煤层瓦斯应力，在注入的过程
7、中，压裂 区域自然属于增压区，然而，在划定的控制范围内当达到一定的水压，与 事先布置的卸压孔进行导通后，不仅有部分压裂水会从卸压孔内流出，同 时也会伴随高浓度瓦斯溢出，此刻，压裂控制范围自然而然从开始的增压 区演变成为卸压区。那么，压裂控制范围以外的区域由于受高压水力的挤 压，会形成一个围绕压裂控制范围的高压区域，为了防止人为形成的高压 区域威胁今后的生产安全，最为有效的手段是压裂结束后及时施钻接抽， 通过抽放，将高压区不断向卸压区涌入的瓦斯及时抽出，同时也体现出了 压裂增透技术是将煤层吸附瓦斯变为游离瓦斯，增加抽放效果的宗旨。5、水力压裂效果考察瓦斯抽采效果分析2372机巷本煤层1#、2#、
8、3#压裂孔压裂完成后1月18日开始联网抽采，压裂孔、压裂区域的抽采孔浓度、瓦斯抽采总量如图2-52-10。e o oe o0v-o o o6 4 2%度浓斯瓦图2-5 2372机巷本煤层1#压裂孔抽采浓度曲线e e e e e o o o o o 0 8 6 4 2%度浓斯瓦1/191/27 / W芋 4/1 494/174/25 寸册孕甲 64/ 时间1/191/27 B%2肴 3/83/163/24 * PT尸 AM旱 64/ 时间图2-6 2372机巷本煤层2#压裂孔抽采浓度曲线图2-7 2372机巷本煤层3#压裂孔抽采浓度曲线时间图2-8 2372机巷本煤层2#、3#压裂孔间抽采孔浓度
9、曲线斯瓦采抽图2-9 2372机巷本煤层压裂区域支管孔抽采浓度曲线11000900070005000日 3000100011111111111111111-1/191/27 2/42/122/202/28 %吩 N /罕妒心勺7 64/时间图2-10 2372机巷本煤层压裂区域支管日抽采瓦斯纯量曲线由图2-52-10可以看出，2372机巷本煤层压裂孔瓦斯浓度为85%以 上，抽采100天后未明显衰减，仍在70%以上。压裂范围内抽采孔，抽采 90天后，部分抽采孔浓度仍维持在30%以上。压裂控制区域日抽采瓦斯纯 量一般在5000m2以上，抽采期延长到100天以上，压裂区域抽采总量80 万m2，区域预
10、抽率达到57%，实现抽采达标。压裂抽采后测试2372机巷压裂区域本煤层残余瓦斯压力小于 0.74MPa，残余瓦斯含量小于4.3m3/t，压裂抽采区域消除了突出危险性。 2372机巷掘进迎头在施工完4#、5#压裂孔后，开始抽采迎头瓦斯， 抽采时间为8天，抽采纯瓦斯量4907m3，消突效果明显。在压裂以前的掘 进循环中，一般要抽采15天以上，压裂后抽采时间大幅度减少，抽采量与 常规掘进抽采总量相当，且略有提高。 1470中巷压裂后及时测试常规10#瓦斯抽采钻场，监测瓦斯浓度、 抽采负压、管路压差，并计算钻场的瓦斯抽采总量，做为压裂区域的对比 参考孔，在测试的21天内，共抽采瓦斯42141m3，日均
11、抽采量2000 m3。挪/疽寸7/3/6/5/3/2时间图2-11 1470中巷常规10#钻场抽采纯瓦斯量压裂后因钻机等其它原因19#、20#钻场30天后才打钻联网抽采，压裂 后停滞时间较长。19#钻场测试23天内，共抽瓦斯7.37万m3,日均抽采量 3200m3； 20#钻场测试23天内，共抽瓦斯5.76万m3,日均抽采量2500 m3。图17 1470中巷压裂19#钻场抽采参数情况时间图18 1470中巷常规20#钻场抽采参数情况工作面瓦斯涌出变化有时0.4%,2372机巷压裂前，掘进工作面放炮后瓦斯浓度多在0.60.85%,会出现瓦斯超限情况；压裂后掘进期间，炮后瓦斯浓度普遍降到0.3
12、大幅降低了炮后瓦斯超限的可能性。防突措施工程量分析 2372机巷外段施工的常规抽采孔间距在2m,后期补充部分抽采孔， 使得大部分区段瓦斯抽采半径不足1m；压裂后在1#、2#、3#孔压裂区域瓦 斯抽采孔间距调整为3m,并且抽采效果显著提高。 1470中巷常规钻场多施工3050个抽采钻孔，19#、20#、21#钻场 为压裂试验区域，均施工18个抽采孔，防突钻孔措施工程量至少减少40% 以上，瓦斯抽采效果显著。影响范围分析从压裂现场压裂孔相互贯通、煤水混合物涌出情况来看，压裂直观效 果显著，2372机巷压裂范围为30m以上；1470中巷施工时，相距2#压裂孔 60m以外的16#钻场大量煤水混合物涌出
13、，压裂范围在3060m范围内。示踪剂测试1470中巷压裂裂隙、缝隙网络沟通情况时，各压裂孔、抽 采孔相互连通，示踪剂均可以检测到，综合测试效果验证了压裂范围内增 加了煤层透气性，裂隙范围增大的效果。压裂抽放效果分析为有效压裂抽放效果，依据防治煤与瓦斯突出规定第五十五条（二） 之规定“对穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯区域防突措施进行检验时，在 煤巷条带每间隔2030 m至少布置1个检验测试点”布孔取样测试，实测 残余瓦斯含量和残余瓦斯压裂低于防治煤与瓦斯突出规定规定的指标 值。经济效益分析压裂材料主要包括封孔无缝钢管（30m/孔）、化学封孔药剂（150 180KG/孔）、送液管等，双料注浆泵，中巷
14、封孔可使用水泥砂浆封孔。结合 实际情况，煤孔综合成本44元/米；岩孔综合成本75元/米；压裂孔综合成 本5000元/孔。以长500m,宽75m的工作面区段为例，压裂半径30m，施工压裂孔孔 间距50m。抽采孔半径以4m计算，成孔平均55m。工作面共施工10个压 裂孔，125个抽采孔。则节省煤孔125个，成本约125X55X44=302500元。综合考虑底抽巷钻场布置情况，距离煤层15m，煤层厚度为4m，一个 钻场由30个穿层孔调整为18个，单孔平均由38m岩孔、7m煤孔构成。则 节省钻孔12个，成本约12X(38X75+44X7) =37896元。节省打钻人工、材料及施工周期，增加有效生产时间，综合效益显著; 如全面推广该技术，可有效缓解采掘接替紧张的局面，安全效益、经济效 益巨大。三、主要结论与建议通过水力压裂增透技术在化处煤矿的应用可知，压裂后煤体整体卸压、 透气性大幅度提高，瓦斯得到释放，抽采瓦斯总量提高；残余瓦斯压力、 瓦斯含量大幅度降低，突出危险性得到有效消除；掘进有效时间增加，掘 进速度提高。同时，创新性使用了示踪剂测试裂隙范围、抽采范围，为压 裂范围的测定提高一种新的思路。2372机巷本煤层压裂试验表明压裂区域煤层透气性显著增大，瓦斯 有效抽采时间延长到110天以上，
