水力压裂技术在煤矿井下瓦斯防治领域的应用

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054）

当前国内多数煤矿已经进入到深部开采阶段，相对于传统浅部煤炭开采，出现了较大的变化，特别是深部煤炭资源变质程度较高，瓦斯含量也更大，同时，随着煤矿埋深的不断增加，煤矿通风难度也在持续增加，进一步增加了煤矿瓦斯防治难度，因此，加强水力压裂技术在矿井瓦斯防治中的应用分析具有重要的意义。

1 水力压裂技术在矿井瓦斯防治中的应用原理及作用

1.1 应用原理

水力压裂技术就是以水为动力，将煤层内裂隙畅通，从而方便瓦斯从煤层中排出。其注水系统如图1 所示，在具体使用过程即通过钻孔将高压水压入到煤层中，随着注水压力的增加，当压入速度超过了煤层自然吸水能力时，由于流动阻力逐渐增加，进入到煤层内部的液体压力就会不断升高，当超过了煤层上方岩石的压力时，煤层内部原本闭合的裂缝就会被贯通，从而形成全新的流通网络，煤层整体的渗透压力就会明显增加[1]。煤层内包括较多的原生裂隙，这些裂隙属于各向异性，在高压水的作用下，通常不会产生新裂隙，而是将这些原有的裂隙贯通，从而更好地进行瓦斯抽采。

1.2 主要作用

1.2.1 能够有效降低煤体强度

将水体注入到煤体内部后，煤体内含水量将明显增加，随着煤体内水分的增加，煤体整体的抗压与抗拉能力将会逐渐下降，随着这些参数的下降，在一定程度上也会降低煤炭资源开采的难度，煤炭资源的采出率也会明显增加。

1.2.2 可取得较好的除尘效果

在水体进入到煤体内部后，煤体内部的含水量会明显增加，煤炭资源的分散能力则会显著下降，这样煤炭粉尘的数量则会明显下降，施工人员的施工环境会得到较好的改善，施工过程对于员工的身体带来的负面影响会更低。

1.2.3 煤炭资源内瓦斯压力下降较为明显

选择使用水力压裂技术后，煤体内部的裂隙会有效贯通，瓦斯整体的流动性会增加较大，局部出现瓦斯压力过大的情况明显下降，瓦斯压力在煤体内部将呈现出均质化，这对于煤炭资源的开采安全程度来讲是非常有利的，由于瓦斯而导致的各种类型地质灾害将会明显降低。

1.2.4 有助于实现对地应力的有效平衡

通过选择使用水力压裂技术，如果煤炭资源内存在瓦斯突出的危险，该技术对于地应力、瓦斯压力降低作用是非常明显的。

1.2.5 将瓦斯突出的危险性有效降低

通过向煤体内注入一定量的水，对于基质状煤体内瓦斯可以实现封闭处理，有效地改变瓦斯的实际状态，在多数情况下，可以将瓦斯从吸附状态转变为游离状态，煤层内残留瓦斯量将增加，瓦斯的实际涌出量将明显下降，从而有效地降低瓦斯突出的危险性。

图1 注水系统布置图

2 水力压裂技术在矿井瓦斯防治领域中的具体应用

煤矿生产能力为120 万t/a，属于突出矿井，通过现场实测，瓦斯压力在3.6 MPa 左右，含量在20 m3/t 左右，煤层透气性较差，瓦斯抽采难度较大。从该煤矿的生产实际来看，矿井突出较为严重，钻孔喷孔率超过了1/3，从建井以来，瓦斯突出事故发生了多次。因此，结合煤矿生产实际，拟选择使用水力压裂技术，实现对矿井瓦斯的有效防治。具体应用情况如下所述。

2.1 水力压裂钻孔布置

结合煤矿开采实际，在煤矿21605 底抽巷2 号钻场处施工了水力压裂测试钻孔。方位角设计为150°，使得巷道和压裂钻孔之间形成垂直关系，在具体布置时，每排共设置6 个钻孔。

2.2 水力压裂钻孔封孔

在具体封孔时，选择使用马离散化学药剂，并配合使用石膏与水泥，选择使用机械的方式进行封孔，该次封孔的长度在16 m 左右。具体的施工方法为：在距离钻孔孔口较近的位置，选择使用马丽散进行封装，封装的长度在1.6 m 左右，同时，根据钻孔的实际长度，将所需的石膏、水泥的数量计算出来，最后使用专用的封孔机器将预先配置好的石膏水泥通过注浆管道全部注入钻孔中，在封孔之后的1 d 内，将煤气观测表安装到指定的钻孔位置，测量瓦斯的排出量。然后开始对水利压裂测试钻孔进行注水压裂，在注水过程中，对注水情况进行严格的控制，特别是对于出现的滴水情况进行严格检测，在出现了滴水情况后，根据现场情况，将注水压力降低到7 MPa，然后将闸阀全部关闭，完成注水。从该次的注水情况来看，其最高的压力在20 MPa，注水的时间在72 h 左右，注入水量在900 m3上下。但是在具体施工的过程中，出现了一定的供水不足的问题，导致注水过程出现了几次中止的情况。

注水压力和压裂时间及注水量等参数有较为直接的关系。在注水的过程中，煤体随着水压力的增加，逐渐被压裂破坏，各种类型的裂隙被贯通，水体在已经完全的沟通裂隙中相互流动，注水量、注水压力等参数也在持续变化。在注水稳定一定时间后，随着压力的不断下降，或者在检验孔附近的瓦斯浓度在持续增加，这说明检验孔与压裂孔之间已经达到完全裂开的状态，这时就能够将水泵停止。

2.3 水力压裂效果

在对煤矿21605 工作面底板巷进行12 孔次水力压裂作业，单次注水量控制在120 m3～220 m3，其注水压力控制在18 MPa～35 MPa。在对4#钻场实施水力压裂后，距离其60 m 以外的0#钻场其瓦斯抽采效果有明显改善，抽采效率得到了大幅度提高，因此可知，水力压裂的实施可以影响到60 m 以外的抽采孔。通过对水力压裂作业实施前后的抽采数据进行统计后，通过表1 可知，水力压裂技术在煤矿瓦斯抽采中应用可以有效提高瓦斯抽采的速率，能够实现快速消突的目的，这对于高瓦斯矿井的有效治理具有安全高效的重大作用[3]。

表1 水力压裂应用前后瓦斯抽采量对比

3 提升矿井瓦斯防治领域的应用效果与对策

3.1 加强对水力压裂技术应用人员的培训

从当前水力压裂技术在煤矿瓦斯防治中的应用情况来看，总体的应用效果并没有达到应有的水平，导致这种情况出现的原因与水力压裂技术实际应用人员的总体技术水平偏低有较为直接的关系。因此，这就需要煤与瓦斯突出严重的企业，全面认识到水力压裂技术对于瓦斯防治工作的重要性，从当前的瓦斯防治工作情况来看，采取针对性的措施，将水力压裂技术应用到具体的培训中。同时，在培训过程中，需要针对性地开展对水力压裂技术的专项培训，使用理论培训和实践培训相结合的方式，全面提升培训实效，特别是在理论培训中，需要将当前应用效果较好的座谈会、专题汇报等应用到具体培训中。在实践培训过程中，应该让技术人员深入使用水力压裂技术较好的煤炭生产一线，确保技术人员能够掌握水力压裂技术实际操控要点。

3.2 加大对水力压裂技术应用研发力度

从当前水力压裂技术应用情况来看，这个技术在具体应用过程中定性使用的问题较为明显，并没有从定量的角度对相关的环节进行把控，特别是对于具体的注水压力、注水时间等方面多数情况下对于操作技术人员的经验等方面还有明显的依赖，很多环节并没有一个具体的公式供实际操作人员使用，影响了水力压裂技术的应用效果[4]。

3.3 加大对水力压裂技术相关技术装备的研发应用力度

结合水力压裂技术实际应用情况来看，水力压裂技术装备在实际使用的过程中，智能化、自动化程度相对偏低，操控人员的劳动强度相对偏大，因此，这就需要持续加大对技术装备的研发和投入力度，更好地发挥出水力压裂技术的实际应用效果。

4 结语

综上所述，在煤矿瓦斯防治过程中，将水力压裂技术应用到其中对于提升瓦斯防治效果有明显的作用。同时，从当前煤矿瓦斯防治工作开展实际来看，瓦斯防治工作还有较大的提升空间，因此，这就需要煤矿企业全面深入研究自身所面临的瓦斯防治实际，充分结合煤矿瓦斯防治工作实际，将水力压裂技术应用到具体防治工作中，全面提升瓦斯防治工作实效。