煤礦井下鉆孔高壓水力壓裂技術(shù)研究與應(yīng)用研究報告

1、煤礦井下鉆孔高壓壓裂技術(shù)研究與應(yīng)用研究報告*股份*2010年10月15日研 究 報 告一、概況*煤與瓦斯突出進行有效的防治，我們進行了水力壓裂技術(shù)在煤礦突出煤層中的研究與應(yīng)用這一課題。對防治煤與瓦斯突出、保障煤礦安全生產(chǎn)具有重要現(xiàn)實意義。二、突出煤層區(qū)域性消除突出的意義瓦斯事故是制約集團公司安全狀況好轉(zhuǎn)的最主要因素。瓦斯事故對礦井安全的威脅主要有瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出、瓦斯窒息等三種形式，其中瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出給煤炭礦山企業(yè)帶來的危害極大，它嚴(yán)重威脅著井下人員的生命和礦井設(shè)施的安全，并迫使礦井停產(chǎn)，投入大量的人力物力進行搶險救災(zāi)。結(jié)合國家煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)察局提出的“先抽后采，監(jiān)測監(jiān)控，以風(fēng)定

2、產(chǎn)”的十二字安全生產(chǎn)方針，集團公司致力于建立防范瓦斯長期有效機制，因此，不把瓦斯事故控制住，就不能實現(xiàn)安全生產(chǎn)狀況的穩(wěn)定好轉(zhuǎn)，也無法保障礦井的持續(xù)健康發(fā)展,而防治煤與瓦斯突出最根本的技術(shù)措施就是礦井瓦斯抽放。*目前的礦井抽放率較低，其中一個主要原因為開采的煤層屬低透氣煤層,再加上隨著進入煤層深層開采，瓦斯的抽放難度大。長期以來，如何提高煤層的瓦斯抽放率，從而消除煤與瓦斯突出危險性一直是瓦斯抽放工作中亟待解決的技術(shù)難題。因此，必須研究出一種能有效地一次性使開采煤層形成貫通裂隙網(wǎng)，進行一次性瓦斯抽放的技術(shù)方法。近些年來，由于水力壓裂、松動爆破、水力割縫等技術(shù)措施在煤礦井下的不斷嘗試和應(yīng)用，特別是水

3、力壓裂技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，使該技術(shù)措施在防治煤與瓦斯突出、瓦斯抽放、煤體注水等方面得到了廣泛應(yīng)用，并取得了良好效果。*隨著產(chǎn)量增加和水平延伸，煤層瓦斯含量，突出危險程度增大，常規(guī)的瓦斯預(yù)抽技術(shù)，抽放率低，不能滿足礦井部署和高效建設(shè)的需要，出現(xiàn)預(yù)抽超前距和超前時間不夠，掘進和回采時瓦斯超限和防突測試超標(biāo)時有發(fā)生，制約了生產(chǎn)的連續(xù)性，威脅了礦井安全。為了縮短抽放時間，提高抽放率，消除瓦斯超限和突出威脅，加快礦井高產(chǎn)高效建設(shè)步伐，特此提出在突出煤層穿層水力壓裂區(qū)域性消除工作面突出危險性的研究與應(yīng)用。三、煤礦井下鉆孔高壓壓裂技術(shù)在突出煤層中的研究與應(yīng)用（一）研究的主要思路*煤與瓦斯突出煤層普遍存在瓦

4、斯含量高、透氣性低、鉆孔深度淺、抽采效果不理想的問題，掘進及回采期間瓦斯大量涌出制約了安全生產(chǎn)。目前部分工作面不具備開采保護層的條件，則預(yù)抽煤層瓦斯即成為目前無保護層開采礦井首要的區(qū)域治理措施，另外中遠保護層開采期間被保護層瓦斯抽采也是必須大力開展的重要工程。要從根本上解決突出煤層瓦斯問題，必須對突出煤層實施層內(nèi)卸壓增透來解決透氣性低的問題，而層內(nèi)卸壓增透是無保護層措施下采取的主要措施。在目前鉆孔技術(shù)還沒有較大突破的條件下，采取人為的增加煤層裂隙將大大提高煤層的透氣性。但已采取的超前鉆孔、深孔注水、水力沖孔、水力割縫、深孔松動爆破和深孔控制爆破、回采工作面順層鉆孔抽放等防突技術(shù)措施，普遍存在著

5、整體卸壓不夠充分、抽放空白帶較大、施工工序復(fù)雜等問題，并且有一定的局限性。煤礦井下鉆孔高壓壓裂技術(shù)是把水作為動力，在煤層中形成人工的空腔、槽縫和裂隙或擴大已有的裂縫以及使煤體發(fā)生位移。經(jīng)壓裂后的煤層，其內(nèi)部能出現(xiàn)眾多且延伸很遠的裂縫，使得在抽氣時鉆孔周圍出現(xiàn)大面積的壓力下降，煤層受降壓影響解析出來的氣體能夠通過壓裂形成的裂隙運移至鉆孔中，保證了煤層氣能迅速并相對持久地泄放，抽出量較壓裂前可增加數(shù)十倍，從而起到卸壓和排放瓦斯的作用，最終達到防治突出的效果。（二）煤礦井下鉆孔高壓壓裂技術(shù)方案1.壓裂設(shè)備與儀表注水系統(tǒng)由注水泵、水箱、壓力表、專用封孔器等組成（見圖1）。注水泵選用額定壓力為31.5M

6、pa、額定流量為400L的BRW400/31.5型煤礦用乳化液泵。為便于操作和控制，注水泵安裝有壓力表、水表及卸壓閥門等附件，水箱容積3m3。壓力表采用YHY60(B)礦用本安型數(shù)字壓力計和FCH32/0.2礦用本安型手持采集器。高壓管路選用1寸高壓膠管。鉆孔內(nèi)采用優(yōu)質(zhì)無縫鋼管，采用快速接頭與封孔器和高壓膠管相連接。無縫鋼管外徑38mm，內(nèi)徑27mm，壁厚5.5mm，每節(jié)長3m。鋼管壓裂段開孔，孔密10孔/米，鋼管底部絲堵封口并開孔。圖1 注水系統(tǒng)布置示意圖2.封孔器及其參數(shù)鉆孔封孔器選用專用封孔器，封孔器封孔長度20m，封孔深度為2535m。該封孔器由封孔膠囊、連接桿、出水嘴和注水頭四部分組

7、成，如圖2所示。封孔器抗壓強度不低于35MPa，外徑55mm，具有一定的內(nèi)徑以保證足夠的流量，長度大于10m，加壓擴張系數(shù)40%。圖2專用水力自動封孔煤層注水器結(jié)構(gòu)示意圖3.壓裂原理高壓水作用于煤體是一個逐漸濕潤煤體、壓裂破碎煤體的過程。在注水的前期，注水壓力和注水流量呈線性升高；隨后，注水壓力與流量反向變化，并呈波浪狀。這直觀反映出了在注水初期，具有一定壓力和流速的壓力水通過鉆孔進入煤體裂隙，克服裂隙阻力運動；隨后，當(dāng)壓裂液充滿現(xiàn)有裂隙后，水流動受到阻礙，由于煤體滲透性較低，水流量降低，壓力增高而積蓄勢能；當(dāng)積蓄的勢能足以破裂煤體形成新的裂隙時，勢能轉(zhuǎn)化為動能，壓力降低，水流速增加；當(dāng)壓力水

8、攜帶煤泥堵塞裂隙時，煤體滲透性降低，水難以流動使流量下降，壓力上升。4.注水壓力注水壓力是所有水力化措施中的重要參數(shù)。若注水壓力過低，不能壓裂煤體，煤層結(jié)構(gòu)不會發(fā)生明顯的變化，相當(dāng)于低壓注水濕潤措施，短時間內(nèi)注水起不到卸壓防突的作用；若注水壓力過高，導(dǎo)致煤體在地應(yīng)力和水壓綜合作用下迅速變形，形成突出。因此，合理的注水壓力應(yīng)該能夠快速、有效破裂松動煤體，進而改變煤體孔隙和裂隙的容積及煤體結(jié)構(gòu)，排放煤體瓦斯，達到消突的目的。水力壓裂措施最高注水壓力和最終注水壓力應(yīng)在式（1）和式（2）的基礎(chǔ)上進行選擇。最高注水壓力： Pm0.075+Pc (1)最終注水壓力： Pk3+Pc (2)式中 Pm最高注水

9、壓力，MPa；上覆巖層的平均容重，t/m3；H煤層埋深，m；Pc注水管路的壓力損失，MPa；Pk最終注水壓力，MPa。根據(jù)試驗工作面鉆孔柱狀圖的統(tǒng)計資料，用加權(quán)平均法計算出煤體上覆巖層的平均容重，計算方法如下式： (3)式中 上覆巖層分層容重，t/m3；上覆巖層分層層厚度，m。式（1）中煤層埋深取工作面實際埋深，將各分層容重及厚度代入式中，計算平均容重，由此計算的垂直應(yīng)力。取管路損失壓力Pc為泵站壓力的10%。原則上，壓力最高值不能超過工作面前方煤體應(yīng)力集中帶內(nèi)的峰值應(yīng)力(的23倍)，起始壓力初步設(shè)定為15 Mpa，逐步加壓。5.壓裂時間控制壓裂時間與注水壓力、注水量等參數(shù)密切相關(guān)，注水壓力、

10、流速不同，相同條件下達到同樣效果的注水時間也不同。注水過程中，煤體被逐漸壓裂破壞，各種孔裂隙不斷溝通，高壓水在已溝通的裂隙間流動，注水壓力及注水流量等參數(shù)不斷發(fā)生著變化，注水時間可根據(jù)注水過程中壓力及流量的變化來確定。根據(jù)以往的地面水力壓裂和井下水力擠出試驗經(jīng)驗，當(dāng)注水泵壓降低為峰值壓力的30%左右，可以作為注水結(jié)束時間。壓裂時采用動壓，從開始注水到水力壓裂措施結(jié)束大約需要120min時間。起始壓力初步設(shè)定為15MPa，每5min升壓2 Mpa，泵壓達到29 Mpa左右。若穩(wěn)定一段時間后，壓力迅速下降，并持續(xù)加壓時壓力無明顯上升，或者檢驗孔附近瓦斯?jié)舛让黠@升高或有水涌出時，即說明壓裂孔和檢驗孔

11、之間已經(jīng)完成壓裂，此時即可停泵，關(guān)閉卸壓閥，壓裂程序結(jié)束。壓裂措施實施過程中，需連續(xù)記錄注水壓力和流量，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，適時調(diào)整壓裂參數(shù)。6.水力壓裂增透抽采瓦斯工藝煤礦井下鉆孔水力壓裂增透抽采瓦斯工藝，依次包括以下步驟：（）選取壓裂地點；（）根據(jù)觀察煤體類型、巷道布置和構(gòu)造發(fā)育程度來確定壓力類型，可采用頂?shù)装屙槍鱼@孔水力壓裂、頂?shù)装宕鱼@孔水力壓裂、本煤層順層鉆孔水力壓裂或本煤層穿層鉆孔水力壓裂；（）確定鉆孔參數(shù)施工鉆孔，鉆孔參數(shù)包括孔長、開孔高度、孔徑、傾角、方位角；（）設(shè)計水力壓裂，包括注入水量和注入壓力；（）洗孔；（）排水；（）檢驗壓裂效果，如符合要求向下進行，如不符合要求轉(zhuǎn)向步驟（

12、）；（）進入管路進行抽放。該技術(shù)項目增強煤層透氣性、減少采掘工作面瓦斯涌出量，顯著提升單孔抽采能力和抽采效果。提高抽放效率、縮短抽放時間、最大限度消除瓦斯災(zāi)害。四、突出煤層區(qū)域性消突技術(shù)方案（一）高抽巷技術(shù)實施方案有下列情況之一的，不具備開采保護層的突出危險采掘工作面，必須先做高抽巷；1.埋藏深度大于700m以上的工作面；2.瓦斯含量在20m3/t以上，瓦斯壓力在1.8MPa以上的工作面。（三）高抽巷布置方式1.在突出煤層采煤工作面風(fēng)巷布置一條內(nèi)錯高抽巷，內(nèi)錯高抽巷與突出煤層頂板垂距810m，高抽巷與風(fēng)巷內(nèi)錯中對中距離為1015m；2.在突出煤層采煤工作面機巷布置一條外錯高抽巷，外錯高抽巷與突

13、出煤層頂板垂距810m，高抽巷與機巷外錯中對中距離為1520m；3.高抽巷原則上是布置在戊8煤層中或己14煤層中。工作面機巷外錯高抽巷可同時做為該區(qū)段下一個工作面的風(fēng)巷內(nèi)錯高抽巷。五、高抽巷穿層水力壓裂鉆孔及抽放鉆孔技術(shù)方案（一）從高位掩護巷沿煤層頂板施工注水預(yù)裂鉆孔，每15m布置一個，鉆孔終孔位置位于采面空白帶，同時在注水預(yù)裂孔兩側(cè)各布置一個卸壓抽放孔，抽放孔終孔位置距注水孔終孔位置15m（鉆孔布置見圖4-1、4.2）；圖4-1戊9-1012160高抽巷穿層卸壓注水鉆孔布置剖面圖圖4-2戊9-1012160高抽巷穿層卸壓注水鉆孔布置平面圖（二）注水及抽放鉆孔設(shè)計孔徑75mm，卸壓注水孔角度及

14、長度由地測隊提供，鉆孔終孔位置要穿過煤層；（三）注水鉆孔施工完畢后使用膨脹水泥和聚氨脂進行封孔，封孔深度不低于30m；采用高壓注水泵向鉆孔進行壓裂液，壓力不得小于30MPa，通過注水使煤層中形成壓裂卸壓，濕潤煤體，從而降低煤層突出危險性；（四）注水鉆孔必須在其兩側(cè)的卸壓鉆孔施工到位后方可開始注水，確保能夠正常卸壓；（五）卸壓注水鉆孔和抽放鉆孔施工完畢后進行聯(lián)網(wǎng)抽放。六、區(qū)域性消突技術(shù)實施后取得的效果（一）對被掩護巷高壓水力壓裂后，防突鉆孔打鉆時工作面無噴孔、夾鉆、頂鉆、響煤炮等突出預(yù)兆。（二）被掩護巷正常掘進期間，回風(fēng)流瓦斯與工作面壓裂前回風(fēng)流瓦斯對比下降0.2%左右。（三）壓裂前平均每月測試

15、超標(biāo)5次左右，壓裂后杜絕了測試超標(biāo)現(xiàn)象。（四）壓裂前被掩護巷平均每月單進2530米之間，壓裂后每月單進提高到5560米之間，大大提高了每月單進量。（五）注水前煤體含水率為3.2，注水后煤體含水率為3.5，提高了0.3個百分點。（六）壓裂前工作面需執(zhí)行4排56個措施孔來保障安全施工，每個執(zhí)行措施循環(huán)要56個小班才能完成；壓裂后工作面可以執(zhí)行3排42個措施孔，只需23個小班就能完成，大大縮短了執(zhí)行措施循環(huán)時間，為工作面進尺爭取了時間。（七）掩護巷干管瓦斯抽放濃度注水前為15，注水后為30，提高了15個百分點。七、突出煤層區(qū)域性消突技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究主要結(jié)論及創(chuàng)新點（一）突出煤層必須實施高抽巷，建立高抽巷

16、的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)1.在突出煤層采煤工作面風(fēng)巷布置一條內(nèi)錯高抽巷，內(nèi)錯高抽巷與突出煤層頂板垂距810m，高抽巷與風(fēng)巷內(nèi)錯中對中距離為1015m；2.在突出煤層采煤工作面機巷布置一條外錯高抽巷，外錯高抽巷與突出煤層頂板垂距810m，高抽巷與機巷外錯中對中距離為1520m；（二）研究了高位巷水力壓裂鉆孔和抽放鉆孔的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；1.高抽巷每30m施工一個水力壓裂鉆孔，每兩個水力壓裂鉆孔之間布置一個泄壓抽放鉆孔，鉆孔終孔位置控制到被掩護巷道中心線位置。2.壓裂鉆孔及抽放鉆孔設(shè)計鉆孔終孔位置要穿過被掩護煤層不低于6米；3.水力壓裂孔布孔方式可根據(jù)煤層變化和壓裂效果進行調(diào)整。4.水力壓裂鉆孔孔徑不得小于89mm,以

17、便于下管注漿封孔；5.封孔深度要求全巖段封孔；（三）探索出穿層水力壓裂的各項技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；1.注水壓裂的橫向影響范圍為30米左右；2.注水壓力以25Mpa30Mpa為宜；3.注水時間一般要34小時為宜，以卸壓或不進水為準(zhǔn)；4.注水孔前后5米范圍內(nèi)的其它孔必須封孔，注水孔終孔位置和抽放孔不能在同一軸線上，否則易卸壓。5.預(yù)留安全煤柱距離為確保被掩護巷工作面前方水力壓裂時的安全，水力壓裂孔距工作面必須預(yù)留不低于30米的安全煤柱做保護。（四）制定出突出煤層穿層松爆區(qū)域性消突技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。突出煤層在采取穿層松爆抽放后，達到一定預(yù)抽效果后，進行區(qū)域措施效果檢驗。其效果檢驗技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：測定預(yù)抽區(qū)域內(nèi)殘存

18、瓦斯壓力或殘存瓦斯含量：1.當(dāng)殘存瓦斯壓力（P）0.74MPa或殘存瓦斯含量（W）8m3/t時，為無突出危險區(qū)，采取安全防護措施后進行采掘作業(yè)。2.當(dāng)殘存瓦斯壓力0.74MPa或殘存瓦斯含量8m3/t時，需要對瓦斯放散初速度p，煤的堅固性系數(shù)f和水分含量進行測定，當(dāng)p10，f0.5和水分含量3.5時，確定為無突出危險，采取安全防護措施后進行采掘作業(yè)。當(dāng)p10或f0.5或水分含量3.5時，確定為突出危險，必須補充局部綜合防突措施后經(jīng)效果檢驗無突出危險和采取安全防護措施后進行采掘作業(yè)。見下表：區(qū)域突出危險性效果檢驗的臨界值一覽表瓦斯壓力P（MPa）瓦斯含量W（m3/t）瓦斯放散初速度p煤的堅固性系

19、數(shù)f水分含量區(qū)域類別采取措施0.74無突出危險安全防護措施8無突出危險安全防護措施0.74100.53.5無突出危險安全防護措施8100.53.5無突出危險安全防護措施0.74100.53.5突出危險補充局部綜合防突措施0.74100.53.5突出危險補充局部綜合防突措施0.74100.53.5突出危險補充局部綜合防突措施8100.53.5突出危險補充局部綜合防突措施8100.53.5突出危險補充局部綜合防突措施8100.53.5突出危險補充局部綜合防突措施煤礦井下鉆孔高壓壓裂技術(shù)研究與應(yīng)用工業(yè)性試驗報告*股份*2010年10月15日工業(yè)性試驗報告根據(jù)集團公司的要求“不具備保護層開采條件的煤與

20、瓦斯突出煤層，突出區(qū)域必須采用煤層頂（底）板巷道、穿層鉆孔抽采等措施治理瓦斯”。針對*瓦斯地質(zhì)條件，采用高位預(yù)抽巷預(yù)裂卸壓抽放技術(shù)解決突出煤層掘進期間的瓦斯問題，為此特制訂突出水力壓裂技術(shù)在突出煤層中的研究與應(yīng)用。該項目的目的就是為了解決以上問題，實現(xiàn)安全快速掘進，提高勞動生產(chǎn)率。項目在*二水平己15-22040機巷進行實驗應(yīng)用，不僅解決了高位預(yù)抽巷預(yù)裂卸壓抽放技術(shù)難題，同時也解決了突出煤層掘進期間的瓦斯問題，有效遏制了煤與瓦斯突出事故，確保了安全生產(chǎn)，保障作業(yè)人員的生命安全，實現(xiàn)安全快速掘進，提高勞動生產(chǎn)率。項目立項研究到如今，已在*己1522040采面、戊9-1012160采面、己15-1

21、3330機巷和戊8-21030機巷等突出危險工作面中進行試驗應(yīng)用，同時也得到各施工單位的大力支持與配合，形成了分工明確，操作合理、獎罰分明的工作機制，施工單位普遍反映該項目勞動時間和勞動效率得到提高。通過實現(xiàn)區(qū)域性消突技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有效地控制了掩護巷煤與瓦斯突出事故的發(fā)生，從總體看，該項目試驗性應(yīng)用很成功，下面是實現(xiàn)區(qū)域性消突技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)試驗前后情況分析：一、對被掩護巷高壓水力壓裂后，防突鉆孔打鉆時工作面無噴孔、夾鉆、頂鉆、響煤炮等突出預(yù)兆。二、被掩護巷正常掘進期間，回風(fēng)流瓦斯與工作面壓裂前回風(fēng)流瓦斯對比下降0.2%左右。三、壓裂前平均每月測試超標(biāo)5次左右，壓裂后杜絕了測試超標(biāo)現(xiàn)象。四、壓裂前被掩護巷平

22、均每月單進2530米之間，壓裂后每月單進提高到5560米之間，大大提高了每月單進量。五、注水前煤體含水率為3.2，注水后煤體含水率為3.5，提高了0.3個百分點。六、壓裂前工作面需執(zhí)行4排56個措施孔來保障安全施工，每個執(zhí)行措施循環(huán)要56個小班才能完成；壓裂后工作面可以執(zhí)行3排42個措施孔，只需23個小班就能完成，大大縮短了執(zhí)行措施循環(huán)時間，為工作面進尺爭取了時間。七、掩護巷干管瓦斯抽放濃度注水前為15，注水后為30，提高了15個百分點。煤礦井下鉆孔高壓壓裂技術(shù)研究與應(yīng)用經(jīng)濟效益分析*股份*2010年10月15日經(jīng)濟效益分析通過井下鉆孔高壓壓裂施工，可實現(xiàn)低透氣性煤與瓦斯突出危險煤層的強化增透消突降塵，為高效采煤方法的采用提供條件，最終實現(xiàn)煤與瓦斯兩種資源的安全高效共采。一、直接經(jīng)濟效益分析（一）地面鉆井壓裂地面鉆井壓裂技術(shù)是從地面施工鉆孔，需要測井、固井、完井、壓裂、排采等一系列工序，單井造價平均200萬元以上，可抽采范圍約10000平方米。（二）井下鉆孔瓦斯抽放井下鉆孔瓦斯抽放，往往以高密度鉆孔、高工程量為代價。平均每2m一個鉆孔，鉆孔深50m以上，鉆孔造價3090元/m不等，按50元/m，抽采10000平方米范圍約需鉆孔100個，鉆孔成本在2.5萬元以上。抽放鉆孔施工需要三班成孔，工程量巨大，并網(wǎng)抽