新景矿地面井压裂强化瓦斯抽采技术

刘 真

（山西宏厦第一建设有限责任公司，山西 阳泉 045000）

新景矿15121工作面井下位于15#煤佛洼采区南翼中部，属+420 m水平。该工作面所掘15#煤层赋存稳定，结构简单，属中灰、低硫的优质无烟煤，煤层以镜煤、亮煤为主，内生裂隙发育，底部含少量黄铁矿结核。煤层层理内生裂隙发育，绝对瓦斯涌出量1.65 m3/min。15号煤层瓦斯含量为8.08～13.63 m³/t，透气性系数为0.018 m2/MPa2·d，百米钻孔自然瓦斯涌出衰减系数为1.017 7 d-1，为典型的较难抽放煤层。煤层厚度3.94～8.21 m，平均为6.14 m。15号煤层最大瓦斯压力为0.92 MPa，大于0.74 MPa；煤的破坏类型为Ⅲ～Ⅳ类；煤的最小坚固性系数为0.17，小于0.5；最大瓦斯放散初速度为40，大于10，有突出危险性。为此，在水力压裂理论支撑下，提出了水砂压裂增透技术。通过水砂压裂工艺改造煤层天然裂缝网络之间的连通性，煤层间裂隙增大，再利用排水造成井筒周围压降，使原始煤炭吸附瓦斯被快速解析[1-3]，通过长时间的排水降压预抽瓦斯，达到有效开采煤层气，同时大幅度降低该区域煤层的瓦斯含量，消除区域煤与瓦斯突出危险，从而达到井下安全生产的目的。

1 地面井压裂强化瓦斯抽采技术的原理

由于煤层透气性非常差，瓦斯抽采极为困难。为了提高瓦斯抽采的效率，必须要采取一些强化措施，水力压裂技术是其中之一。水力压裂技术可以分为井下钻孔水力压裂和地面井压裂两个方面。在很多情况下，井下水力压裂可能会导致巷道使用不便，影响掘进的速度。与此同时，钻孔压裂的范围非常有限，需要施工足够多的压裂孔，工程量非常大。因此，现在多采用地面钻井来压裂煤层从而达到强化瓦斯抽采的目的。

通过在地面施工钻井，利用地面上的压裂泵车将混合好的且具有一定粘度的压裂前置液泵入压裂井中[4-6]。待泵注压力大于井壁周围的地应力及地层岩石抗张强度时，井壁周围的煤层产生大的裂缝。由于裂缝可能在地应力的作用下造成裂缝闭合，需要对裂缝进行支撑。为此，需要注入含有支撑剂的压裂携砂液，从而在井底附近地层内形成具有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝，沟通煤层裂缝，从而增加了煤层的透气性，有效改善压裂影响范围内应力集中状态。这样就可以在煤层中造出大量的裂缝，为煤层中瓦斯提供了通道，提高瓦斯抽采的效率[7-8]，提高采掘速度和确保煤矿安全生产。

由于地面钻井压裂的范围较大，只需要少量的井就可以强化工作面的瓦斯抽采[9-10]。新景矿15121工作面正在掘进进风巷，巷道长度1500 m，宽4.3 m，高4.1 m。在进风巷上方布置了四个压裂井XJ-15、XJ-16、XJ-17以及XJ-18，施工参数见表1。

表1 四个地面井的压裂参数

2 15121进风巷压裂井压裂效果分析

为了考察地面井压裂的效果，统计了地面井的产气量，如表2所示。此外，还考察了压裂对巷道掘进施工的影响。

表2 地面井抽采情况

15121进风巷764 m至切巷的区段属于地面井压裂预抽区域，依据地面压裂井影响半径经验数据为130 m，分析压裂影响范围区域与未压裂区域煤层瓦斯参数作对比。

2.1 未压裂区域防突措施施工情况

在未压裂区域采用“6+7”造穴增透措施，“6”指施工6个造穴钻孔，“7”指施工7个普通预抽钻孔，主孔深度为80 m（允许掘进60 m，预留20 m超前距离）。平均单循环工程量为971.8 m，造穴个数为92个，出煤量为71.47 t。该区域内平均煤层瓦斯含量为11.82 m3/t，单循环抽放量为1.6万m3，平均耗时18.6 d。掘进期间巷道瓦斯浓度曲线如图1。

图1 未压裂区域掘进期间巷道瓦斯浓度

从图中可得出，掘进期间巷道最大瓦斯浓度为0.34%，平均为0.24%。这表明采用密集钻孔区域防突也能保证巷道的安全掘进。

2.2 压裂影响区域防突措施施工情况

压裂影响区域前期采用“3+7”区域措施，“3”指施工3个造穴钻孔，“7”指施工7个普通预抽钻孔，主孔深度为100 m。平均工程量为1 024.4 m，造穴个数为61个，出煤量为129.18 t。随后优化措施，仅施工3个措施孔，对前方掘进区域进行效果检验，主孔深度80～100 m（允许掘进60～80 m，预留20 m超前距离），平均单循环工程量为304 m，区域校检达标可不执行增透消突措施。该区域内平均煤层瓦斯含量为8.27 m3/t，平均耗时5.3 d。掘进期间巷道瓦斯浓度曲线如图2（“3+7”区域措施）。

图2 压裂区掘进期间巷道瓦斯浓度

由图2可以发现，在压裂影响区，掘进期间巷道最大瓦斯浓度为0.59%。由图3可以发现，在进行优化后，掘进期间巷道最大瓦斯浓度为0.44%。这表明在压裂区域瓦斯得到了有效的控制，可以保证安全掘进。

图3 压裂区掘进期间巷道瓦斯浓度曲线（3个措施孔）

2.3 压裂前后基础数据对比分析

为了更好地展示压裂对巷道掘进的影响，对比了压裂前后巷道安全掘进的工程量，见表3。

表3 压裂影响区内外瓦斯抽采效果对比

在压裂影响范围内（优化后）煤层瓦斯含量为8.27 m3/t，较未压裂区域内瓦斯含量减少30.1%。在压裂影响范围内（优化后）区域措施执行天数较未压裂区域内减少13 d。在压裂影响范围内（优化前）单日抽采量1 577.9 m3，是未压裂区域内单日抽采量891.9 m3的1.77倍。压裂影响范围内与未压裂区域内掘进防突测试指标K1均未超限，无突出危险性。压裂影响范围内与未压裂区域在掘进期间均未出现瓦斯超限事故。

15121进风巷巷道设计长度为1620 m，其中未压裂区段长度为634 m，剩余986 m为压裂影响区段。该巷道2019年2月开始掘进，至2020年1月，掘进至634 m位置，期间最高掘进效率为61 m/月，平均为52.8 m/月。巷道2020年2月开始在理论压裂区域掘进，截至10月底已掘进826 m，期间最高掘进效率为158 m/月，平均为91.7 m/月。综上可得，压裂影响区域掘进效率较未压裂区域提高1.73倍。

3 结语

在压裂影响范围内的瓦斯抽采效果有大幅度的提升，表明地面井压裂对煤层的增透效果明显。压裂影响区域掘进效率提高了1.73倍。抽采量最多的XJ-15#地面井抽采量为16.0万m3，按照130 m影响半径计算，煤层瓦斯含量平均下降仅为0.2 m3/t，故导致井下实测煤层瓦斯含量无明显差别。压裂影响半径有待进一步考察。

由于煤层赋存的不同及地质条件的差异，压裂影响范围存在不均衡性，且影响半径并非理想的正圆形，一般为椭圆模型，存在长短轴差别。在刚刚进入压裂影响范围内施工区域钻孔时，在40 m后普遍存在打钻喷孔现象（未压裂区域钻孔施工时无异常现象），说明钻孔施工至“瓦斯库”区域，亦可导致区域抽采总量明显提高。然而，这个“瓦斯库”是由于地面压裂致使瓦斯聚集，还是煤层中本身已存在，还有待进一步考察。地面井压裂技术主要是为了改善煤层的透气性，故分析其影响作用还需现场测定影响范围内煤层的透气性系数（λ），可直观反映水砂压裂的作用效果。