低透氣性煤層順層鉆孔水壓預(yù)裂增透消突(白冰)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)低透氣性煤層順層鉆孔水壓預(yù)裂增透消突技術(shù)研究白 冰作者簡(jiǎn)介：白冰（1988），男，陜西省寶雞市，2011年畢業(yè)于重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院礦井通風(fēng)安全專業(yè)，主要從事生產(chǎn)技術(shù)管理工作。Tel：，E-mail：（四川省華鎣山煤業(yè)股份有限公司李子埡煤礦，四川 廣安 ）摘 要:本文針對(duì)低透氣性煤層采用了一套新型水壓預(yù)裂增透消突技術(shù)，通過(guò)有效實(shí)施，合理解決了低透氣性煤層的瓦斯治理及防突問(wèn)題,大大改善工人的工作環(huán)境,提高了煤礦生產(chǎn)的效率和安全狀況。關(guān)鍵詞：低透氣性煤層；順層鉆孔；水壓預(yù)裂

2、；增透消突 0 引言李子埡煤礦1978年建成投產(chǎn)，迄今已開(kāi)采30多年，隨著礦井開(kāi)采不斷向軸部和井田邊界延伸，機(jī)械化大功率生產(chǎn)與礦井的高效高產(chǎn)，對(duì)礦井瓦斯抽采達(dá)標(biāo)提出了更高的要求，低透氣性煤層瓦斯抽采已成為制約礦井安全、高效生產(chǎn)的第一因素，迫切需要一種新型的瓦斯治理工藝技術(shù)。為改變低透氣性煤層“瓦斯抽放難，突出難治理”的難題，李子埡煤礦于2011年9月在25011工作面首次運(yùn)用了低透氣性煤層順層鉆孔水壓預(yù)裂試驗(yàn)，為李子埡煤礦低透氣性煤層區(qū)域瓦斯治理和利用開(kāi)創(chuàng)了一種新的途徑，并取得了良好技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。1 試驗(yàn)地點(diǎn)慨況25011工作面位于李子埡井田北翼，煤層厚度1.051.50m，煤層平均厚度1.3

3、5m，煤層結(jié)構(gòu)0.20（0.15）1.00m，地面標(biāo)高+880+1228m，地應(yīng)力大，煤層瓦斯含量為12.3387m3/t ，瓦斯壓力為0.684MPa，煤樣瓦斯放散初速度P=6，煤的堅(jiān)固性系數(shù)f=0.25，煤層透氣性系數(shù)為0.093m2/(MPa2.d)，煤層孔隙率為2.78%，為低透氣性煤層。由于K2 1煤層滲透性差、透氣性系數(shù)低，導(dǎo)致順層鉆孔布孔密集、工人勞動(dòng)強(qiáng)度高、單孔瓦斯?jié)舛刃?、瓦斯抽放效率低、瓦斯預(yù)抽時(shí)間長(zhǎng)，現(xiàn)行的瓦斯預(yù)抽措施制約了礦井高效生產(chǎn)。2 實(shí)施方案 2.1 水壓預(yù)裂基本原理煤巖體水壓預(yù)裂的基本原理是用泵將液體以高壓大排量向煤巖體注入時(shí)，由于注入速率大于煤巖體吸收速率，而在

4、儲(chǔ)層內(nèi)部產(chǎn)生張應(yīng)力，當(dāng)這個(gè)力超過(guò)某一方向的軸應(yīng)力時(shí)，煤巖體本身在這個(gè)方向上所受到的軸應(yīng)力完全被液體所傳導(dǎo)下來(lái)的外來(lái)力所克服，此時(shí)，隨著外來(lái)力量的增加，在克服了煤巖體本身破裂時(shí)所需要的力量后，煤巖體在最薄弱的地方開(kāi)始破損，裂縫延伸，煤巖體的滲透率得到改善，從而為瓦斯抽采創(chuàng)造優(yōu)越的先天條件，使煤體均勻卸壓，提高瓦斯抽采濃度及流量，縮短瓦斯預(yù)抽時(shí)間，保證礦井瓦斯抽采達(dá)標(biāo)。 2.2 具體實(shí)施內(nèi)容首先，在距開(kāi)切眼150m-300m順層鉆孔水壓預(yù)裂試驗(yàn)區(qū)域施工6個(gè)順層水壓預(yù)裂鉆孔。鉆孔施工完成之后，在24h內(nèi)完成封孔工作。鉆孔封孔完后，采用乳化泵向鉆孔中注入高壓水對(duì)煤體進(jìn)行水壓預(yù)裂。其次，水壓預(yù)裂結(jié)束后，

5、在距開(kāi)切眼水壓預(yù)裂試驗(yàn)區(qū)域施工順層瓦斯抽采鉆孔，將瓦斯抽采鉆孔和水力壓裂鉆連接在抽采系統(tǒng)進(jìn)行抽采，記錄下預(yù)裂鉆孔和順層抽采鉆孔的瓦斯抽采流量和抽采濃度，將水壓預(yù)裂試驗(yàn)區(qū)域外與水壓預(yù)裂試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行抽采效果對(duì)比。通過(guò)分析25011北工作面水壓預(yù)裂試驗(yàn)區(qū)域與試驗(yàn)區(qū)域外瓦斯抽采鉆孔流量、濃度、抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間和工作面回采期間的瓦斯綜合治理效果來(lái)綜合判斷順層鉆孔水壓預(yù)裂的增透效果；并根據(jù)水壓預(yù)裂試驗(yàn)區(qū)域與試驗(yàn)區(qū)域外的防突措施指標(biāo)進(jìn)行順層水壓預(yù)裂消突措施效果檢驗(yàn)。 2.2.1 水壓預(yù)裂鉆孔布置方式25011北工作面布置6個(gè)順層水壓預(yù)裂鉆孔，2個(gè)順層考察孔，采用ZDY-4000型鉆機(jī)施工，鉆孔直徑94mm，孔深

6、60m，孔間距50m，水壓預(yù)裂鉆孔的具體布置方式見(jiàn)圖1。圖1 順層水壓預(yù)裂鉆孔布置 2.2.2 水壓預(yù)裂鉆孔封孔方式對(duì)于高壓水壓預(yù)裂技術(shù)，一個(gè)重要的技術(shù)難題就是鉆孔的密封技術(shù)，封孔質(zhì)量的好壞，其直接影響到水壓預(yù)裂技術(shù)的成功與否。鉆孔周圍往往存在微裂隙，這種情況下增加了封孔密封難度。本次水壓預(yù)裂鉆孔封孔采用瑪麗散化學(xué)藥劑和水泥石膏漿機(jī)械封孔相結(jié)合的封孔方法。 2.2.3 水壓預(yù)裂設(shè)備及儀表本次水壓預(yù)裂采用RBYB160/31.5型礦用乳化液泵。壓裂泵的額定壓力為31.5MPa、最大排量為160L/min。為便于操作和控制，壓裂泵安裝有壓力表、水表及卸壓閥門等附件，乳化液箱容積為2m3。整個(gè)水力預(yù)

7、裂系統(tǒng)須由乳化泵、水箱和高壓管路等，如圖2所示。水壓預(yù)裂裝備的連接依次為輸水管水箱壓裂泵高壓水管鉆孔內(nèi)部管路，附屬設(shè)備包括截止閥、壓力表、流量表等。圖2 水壓預(yù)裂系統(tǒng)示意圖 2.2.4 水壓預(yù)裂施工作業(yè)參數(shù)設(shè)計(jì)本次水壓預(yù)裂試驗(yàn)初步確定注水壓力為1520MPa；注水時(shí)間可以根據(jù)水壓裂縫起裂和擴(kuò)展引起的壓力下降現(xiàn)象作為起始時(shí)間，然后控制注水一段時(shí)間來(lái)達(dá)到對(duì)水壓裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度的大致控制，將注水過(guò)程中壓力表的變化及相鄰鉆孔出水情況作為注水結(jié)束時(shí)間。注水量可以根據(jù)具體的致裂煤巖體確定相應(yīng)的濾失率，對(duì)注水體積進(jìn)行修正。3 方案實(shí)施 3.1 水壓預(yù)裂順層鉆孔低透氣性煤層順層鉆孔水壓預(yù)裂增透消突試驗(yàn)于2011年

8、2月6日11時(shí)05分開(kāi)始，于2011年2月15日10時(shí)10分結(jié)束。在現(xiàn)場(chǎng)水壓預(yù)裂的實(shí)際操作過(guò)程中，每個(gè)鉆孔水壓預(yù)裂三次，每次水壓預(yù)裂的時(shí)長(zhǎng)約為5-10min，并隨時(shí)觀察水箱中的水位變化、壓力表的讀數(shù)及相鄰鉆孔出水情況。第一次水壓預(yù)裂過(guò)程中，預(yù)裂剛開(kāi)始隨時(shí)間的增大而呈鋸齒狀迅速上升，而后逐漸減緩，一旦注水壓裂停止，水壓會(huì)陡然下降，但下降梯度隨時(shí)間而逐漸減小，此次試驗(yàn)水壓預(yù)裂所能達(dá)到的最高壓力為19MPa。第二次水壓預(yù)裂過(guò)程，水壓預(yù)裂的壓力達(dá)到最大值的時(shí)間較短，由于第一次大量注入了壓裂液，煤體中液體達(dá)到了飽和，再次預(yù)裂使煤體裂縫會(huì)充分延伸。第三次以后的幾次水壓預(yù)裂試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)壓裂壓力呈鋸齒狀上

9、升到19MPa后壓力基本上呈緩慢增長(zhǎng)形式，即壓裂壓力在19MPa上下很小的范圍內(nèi)呈鋸齒狀波動(dòng)增長(zhǎng)。但是，當(dāng)水壓預(yù)裂的注水量達(dá)到10m3左右時(shí)，發(fā)現(xiàn)相鄰的水壓預(yù)裂鉆孔（或參考孔）中有水流出，并有增大的趨勢(shì)，此時(shí)壓力迅速降低到1014MPa左右后穩(wěn)定而不再增加。本次水壓預(yù)裂試驗(yàn)的注水量為70m3左右。 3.2 鉆孔瓦斯流量分析為解煤體的水壓預(yù)裂增透效果，在水壓預(yù)裂鉆孔封孔期間，在水壓預(yù)裂試驗(yàn)區(qū)域外施工了一個(gè)對(duì)比鉆孔，水壓預(yù)裂鉆孔封孔完后，同時(shí)測(cè)定對(duì)比孔和水壓預(yù)裂后鉆孔的瓦斯自然排放量并進(jìn)行比較。測(cè)量?jī)x表采用為G2.5膜式煤氣表，規(guī)格為：qmax=4m3/h，qmin=0.025m3/h，見(jiàn)圖3。圖

10、3 鉆孔瓦斯自然排放量曲線圖則圖得到：在自燃排放條件下，水壓預(yù)裂鉆孔的平均瓦斯排放純量是未受水壓預(yù)裂影響鉆孔的7倍，說(shuō)明水壓預(yù)裂后的煤體透氣性大幅提高。 3.3瓦斯抽采達(dá)標(biāo)情況水壓預(yù)裂試驗(yàn)結(jié)束后，在水壓預(yù)裂區(qū)域施工瓦斯預(yù)抽鉆孔，在短時(shí)間內(nèi)將水壓預(yù)裂鉆孔和順層瓦斯抽采鉆孔連接到抽采系統(tǒng)，定期收集順層鉆孔和水壓預(yù)裂鉆孔瓦斯抽采濃度，瓦斯抽采濃度曲線圖見(jiàn)圖4。圖4 抽采濃度曲線圖圖分析可知，煤體預(yù)裂后，4月順層抽采區(qū)域的平均瓦斯抽采濃度是30%，而水壓預(yù)裂試驗(yàn)區(qū)域的平均瓦斯抽采濃度為61%，是水壓預(yù)裂試驗(yàn)區(qū)域外瓦斯抽采濃度的2.04倍，由曲線圖可以直觀的反映出水壓預(yù)裂試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的瓦斯?jié)舛人p速率明顯

11、比水壓預(yù)裂試驗(yàn)區(qū)域外的瓦斯?jié)舛人p速率大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，水壓預(yù)裂試驗(yàn)區(qū)域抽采瓦斯純量42.1萬(wàn)m3，有效鉆孔個(gè)數(shù)為208個(gè)，有效預(yù)抽時(shí)間為122天，計(jì)算得單孔平均瓦斯純流量為0.0115 m3/min,水壓預(yù)裂試驗(yàn)外抽采瓦斯純量27.09萬(wàn)m3，鉆孔個(gè)數(shù)為196個(gè)，有效預(yù)抽時(shí)間為168天，平均單孔瓦斯純流量0.00571m3/min，順層鉆孔平均流量提高了20.1%。 3.4 突出危險(xiǎn)性分析為考察水壓預(yù)裂增透消突技術(shù)的區(qū)域防突效果，8月10日8月12日收集了水壓預(yù)裂順層瓦斯抽采區(qū)域和水壓預(yù)裂影響外瓦斯抽采區(qū)域的突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)指標(biāo)，包括瓦斯壓力、瓦斯含量、K1指標(biāo)、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)h2和鉆屑量S，見(jiàn)表

12、13、表14。由表可知，水壓預(yù)裂影響外順層瓦斯抽采區(qū)域的突出預(yù)測(cè)指標(biāo)值總體上都大于順層水壓預(yù)裂瓦斯抽采區(qū)域的突出預(yù)測(cè)值，這說(shuō)明順層水壓預(yù)裂區(qū)域的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性降低了，據(jù)統(tǒng)計(jì)，水壓預(yù)裂試驗(yàn)區(qū)域外的順層抽采區(qū)域2月23日鉆孔全部投抽，水壓預(yù)裂試驗(yàn)區(qū)域鉆孔4月10號(hào)全部投抽，8月11日按照礦井抽采達(dá)標(biāo)規(guī)定進(jìn)行評(píng)估，水壓預(yù)裂區(qū)域和順層抽采區(qū)域均以抽采達(dá)標(biāo)，由此說(shuō)明水壓預(yù)裂影響區(qū)域比水壓預(yù)裂影響外區(qū)域縮短了25%。表1 水壓預(yù)裂區(qū)域外防突參數(shù)表預(yù)測(cè)次數(shù)瓦斯壓力（Mpa）瓦斯含量（m3/t）指標(biāo)K1（mL(gmin1/2）-1指標(biāo)h2(Pa)鉆屑量S（kgm-1）10.4457.8290.4282.8

13、20.4566.4550.3103.130.5016.8420.36123.240.4215.7320.32113.550.4357.1360.3910360.4576.8570.3592.9表2 順層水壓預(yù)裂區(qū)域防突參數(shù)表預(yù)測(cè)次數(shù)瓦斯壓力（Mpa）瓦斯含量（m3/t）指標(biāo)K1（mL(gmin1/2）-1指標(biāo)h2(Pa)鉆屑量S（kgm-1）10.1222.080.1842.120.1512.280.252.530.1131.790.1551.940.1351.950.1732.150.1281.820.1941.960.1422.240.2142 3.5 瓦斯綜合治理效果25011北工作面通過(guò)水壓預(yù)裂增透消突技術(shù)，在2011年11月2012年2月回采期間水壓預(yù)裂影響區(qū)域時(shí)未發(fā)生一二級(jí)瓦斯報(bào)警，瓦斯治理難度減小，未發(fā)生煤與瓦斯突出事故，采面回風(fēng)瓦斯?jié)舛任窗l(fā)生三級(jí)報(bào)警；確保了25011綜采北工作面回采期間能夠安全、快速生產(chǎn)，煤層瓦斯含量降低后，回采期間涌出的瓦斯量減少，減少了工作面的配風(fēng)量，保證了通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定，為礦井的安全生產(chǎn)提