王彪;王联;卓泽强;沈洪;尹建荣
【摘 要】In order to solve the problem of borehole collapse hole and long time extraction in soft coal seam(K1)with low permeability and high gas of The third coal mine of SANHUI,Processing technology of hydraulic fracturing, punching to solve in -60mN4 Shimen,which exposing K1 coal,the results showed that under the same geological condition, compared with -60mN6 Shimen,which also exposing K1 coal, without hydraulic fracturing punching,-60mN4 Shimen reduced to borehole 79 smoke coal, drainage standard time reduced by 954 days.%为解决三汇三矿松软低透气性高瓦斯煤层(K1)抽采钻孔垮孔严重,瓦斯预抽困难,抽采达标时间长的问题,采取水力压裂冲孔技术对该矿-60mN4石门揭穿K1煤层时进行了处理,结果表明:在相同的地质条件下,和未采取措施的-60mN6石门揭穿K1煤层相比,减少石门揭煤抽采钻孔79个,抽采达标时间减少105天.
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【期刊名称】《煤矿现代化》
【年(卷),期】2016(000)001
【总页数】3页(P114-116)
【关键词】水力压裂冲孔;松软低透气性高瓦斯煤层;抽采
【作 者】王彪;王联;卓泽强;沈洪;尹建荣
【作者单位】重庆市能源投资集团有限公司,重庆401121;重庆市能源投资集团科技有限责任公司,重庆400061;重庆天府矿业有限责任公司,重庆北碚400704;重庆天府矿业有限责任公司三汇三矿,重庆合川401535;重庆天府矿业有限责任公司,重庆北碚400704
【正文语种】中 文
【中图分类】TD712
三汇三矿为煤与瓦斯突出矿井，矿井核定生产能力为45万t/a，开拓方式为平硐、明暗斜井综合开拓方式，采用对角式通风系统。矿井现抽采能力为145m3/min，自上而下依次开采的K4、K3和K1煤层均为突出煤层。随着矿井向深部开采，煤层透气性降低，瓦斯压力、瓦斯含量增大，特别是K1煤层为松软低透气性高瓦斯煤层，f值为0.32，透气性系数仅为1.
2×10-4mD，煤层瓦斯含量为15.3m3/t，使用常规抽采技术预抽瓦斯揭穿K1煤层时，钻孔垮孔严重，抽采达标时间一般为200天左右，瓦斯预抽达标非常困难，突出威胁严重。
针对三汇三矿揭穿K1煤层存在的问题，研究应用了水力压裂冲孔技术，确保瓦斯抽采效果，实现快速安全抽采达标。
1.1 水力压裂冲孔技术
水力压裂冲孔是利用同一钻孔，首先使用高压水射流,在煤层中冲出若干直径较大的孔洞，然后对该钻孔进行封孔，利用高压水对煤体进行压裂。是“水力冲孔出煤卸压，水力压裂单元增透”，使煤层中缝网分布更加均匀，煤层透气性得到最大程度的提高的一种煤体增透技术。是以高压水为载体、以瓦斯抽采钻孔为通道、以煤层及其围岩为增透对象，以大规模提高瓦斯抽采效率为目的的一种技术[1]。 1.2 作用机理
1.2.1 破煤机理
在高压水射流冲击时的动压作用，对煤体不断冲撞、反弹、干扰，破坏了煤体的分子结构，促进了裂纹的扩展，加速了煤体的破碎[2]。在高压水射流冲击下，煤体发生破坏时由以下作用引起的：水射流过程中的气蚀破坏作用，高压水射流的冲击作用，高压水射流的动压作用，水射流脉冲符合引起的疲劳破坏作用和水楔作用等。在高压水射流冲击下，煤体发生破坏虽然是由以上作用引起的，但是针对不同的切割条件下或针对不同种类的材料来讲，上述几种作用中的某一两项可以显得特别突出而起主导作用，其他将处于次要地位。高压水射流的破碎能力与水射流及切割条件有关，同时，也受切割破碎材料的性质影响。在高压水射流冲击下，材料本身性质将发生一定变化。
1.2.2 水力压裂冲孔增透机理
电能计量接线盒水力压裂通过向煤层中注入高压水，最终在一定的范围煤层内形成大量裂缝，并沟通煤层原生和次生裂缝，提高煤层透气性[3]。目前受限于井下压裂泵的能力。
标志107水力冲孔利用高压水射流的冲击力，破坏、剥离作用范围内的煤体，在钻孔周围形成大的孔洞，孔洞周围煤体在地应力作用下向孔洞移动，煤体膨胀变形，煤体得到充分卸压，煤层透气性大幅度增高，促进瓦斯解吸和排放[4-6]，但影响范围较小。
水力压裂冲孔对其影响范围内煤体的卸压为大量瓦斯的解吸和排放创造了有利条件，提高了煤层的透气性能，同时，大量瓦斯的排放使得煤体发生收缩变形，这必然会导致煤体应力的重新分布，从而对煤体进一步卸压，同时，由于煤体是由很多的煤分子所组成的，而整个煤体又为纵横交错的层理、节理和裂隙所分割，因而煤体收缩变形时，必然会造成这些裂隙系统的进一步加大，从而使煤体的透气性加大[7]。
1.2.3 水力冲孔消突机理
主要为：①冲出大量煤体，为煤体膨胀变形提供了充分的空间，起到局部卸压作用；②由于煤体的膨胀变形，裂隙地产生、延展和贯通，增加了煤层的透气性；③湿润煤体，使煤体减少脆性，增加了煤体塑性，降低煤体弹性势能，减小瓦斯膨胀能[8]。
2.1 水力压裂冲孔系统
水力压裂冲孔系统通常主要包括压裂泵站（压裂泵、压裂液箱和电机）、管路、钻机、喷嘴等，系统示意图见图1。
系统施工工艺流程见图2。
2.2 装备
试验选用的高压泵为HTB500型压裂泵组。该泵组由HTB500型压裂泵、YB2-400M-4隔爆型电动机、液力变速器、传动轴、冷却系统、吸入和排除管汇、电气换挡系统、数据监控系统、平板车底座等组成。其中，HTB500型压裂泵由动力端、齿轮箱、液力端、动力端润滑系统、液力端润滑系统和底座（油箱）组成，是泵组的重要组成部分。该泵组性能稳定、可靠性高、输出能力大，最大输出压力达50MPa，最大输出流量达66m3/h。
2.3 安全保障
为保障水力压裂冲孔安全高效实施，要求压裂冲孔设备与施工地点保持不小于200m的安全距离，并有风门相隔，通过远程操作台进行监控和操作；压裂冲孔期间，孔口有防护装置，以免发生大规模的瓦斯喷孔，同时，作业地点及上下风侧100m处装有瓦斯浓度探头，记录监测作业期间巷道浓度变化情况，实现风电闭锁；作业期间严禁人员进入作业地点；作业后，由瓦检员进入测量瓦斯浓度，观测巷道顶、底、帮的变化情况，并对异常情况及时汇报处理。
试验选择在三汇三矿-60mN4石门进行，该石门位于-60mN3石门至-60mN5石门之间，以南N3石门，以北N5石门，以上+20m水平N4石门。-60mN4石门位置如图3所示。
该石门K1煤层平均厚度0.93m，平均倾角34°，煤层为半暗至半亮型煤，煤层疏松、破碎，含少量黄铁矿结核。由于沉积环境影响，造成底板凹凸不平，煤层不稳定，煤厚变化较大，且含矸0～3层。
设计在-60mN4石门先进行压裂冲孔对煤层进行增透，此工艺先对煤层钻孔进行冲孔，然后封孔进行压裂。可以在目的煤层充分压裂，形成稳定的瓦斯流动通道，以达到改善煤层透气性和强化瓦斯预抽效果，显著提高-60mN4石门K1煤层抽采达标速度。
4.1 压裂冲孔钻孔设计
在-60mN4石门正碛头设计一个压裂孔，钻孔倾角28°，方位角136°。采用Φ75mm的钻头开孔，再用Φ94mm的钻头扩孔至煤层底板处。压裂孔设计示意图见图4。桑椹原浆
4.2 抽采设计
对-60mN4石门进行水力压裂冲孔增透后，设计抽采钻孔对K1煤层进行预抽，设计钻孔图见图5。卷绕电池
水力压裂冲孔采用间歇式压裂冲孔，压裂冲孔共3次。最大压力为38.7MPa，最大注水量48.2m3。冲出煤量约2.1t，最大瓦斯浓度0.82%。
水力压裂冲孔后对该石门对K1煤层进行瓦斯抽采，施工抽采钻孔64个，仅用了83天，实现了抽采达标，瓦斯抽采率98%。抽采期间抽采纯量平均值为0.2729m3/min。
为了对水力压裂冲孔技术应用的先进性进行分析，选择在和-60mN4石门位于同一地质单元且埋深相同的-60mN6石门采用常规方式进行瓦斯抽采，分析比较2种方法的测定结果，抽采情况比较见表1。
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