屯兰矿12501工作面地面压裂对井下煤层瓦斯抽采影响分析

徐 斌

(山西蓝焰煤层气集团有限责任公司， 山西 晋城 048204)

1 前言

煤炭开采受到瓦斯灾害影响较为显著，瓦斯抽采是治理瓦斯灾害的主要技术措施，但钻孔在松软、高瓦斯压力煤层中施工时存在塌孔以及喷孔严重等问题，从而在一定程度上制约影响瓦斯治理效果[1-3]。增透是提高瓦斯抽采效果的重要手段之一，现常用的增透技术有水力压裂、水力割缝、CO2压裂等，现场应用时受到钻孔施工、作业空间等因素限制，增透效率较低且存在有一定的安全风险[4-5]。地面压裂是增加煤层透气性的一个有效技术措施，为此文中对屯兰矿12501工作面地面压裂效果进行分析，以期能更好的提升地面压裂应用。

2 工程概况

12501工作面埋深为339～508 m，走向长1 736～1 767 m、倾斜长196 m，开采的2#煤层与上覆3#煤层、下覆4#煤层层间距分别为3 m、13 m。2#煤层倾角3°，厚度4.43 m，具体瓦斯赋存参数见表1。12501工作面为Y型通风，总风量3 200 m3/min(胶带巷、轨道巷配风量分别为2 400 m3/min、800 m3/min)。

表1 瓦斯赋存参数

3 地面压裂钻井布置

3.1 压裂钻井结构

压裂钻井与轨道巷、切眼、胶带巷间距分别为130 m、240 m、69 m，钻孔井深480 m，深入到4#煤层底板下方10 m位置；套管下端与2#煤层顶板相距0.6 m，具体钻井结构如图1所示。

图1 钻井结构图

地面钻井压裂时用水作为压裂介质，在压裂过程中添加一定量石英砂作为支撑剂。地面钻井压裂压力设定为35 MPa，注入的压入水、石英砂量共计458.2 m3。

3.2 压裂范围预测分析

采用微地震监测技术压裂后缝隙扩展情况进行监测，以压裂井为中心布置6个监测台站。当煤层中产生裂隙时会伴随有微震产生，通过监测微震震源即可掌握扩展形态。通过微震监测结果绘制得到地面压裂后煤层内缝隙扩展范围，具体如图2所示。

图2 压裂影响区预测范围

从图2看出，压裂影响区大致为以钻孔为中心的椭圆，其中长、短半轴长度分别约为50 m、20 m。主裂缝方向与最大主应力方向基本一致。

4 工作面瓦斯抽采效果分析

待地面压裂完成后，在压裂区域内布置本煤层瓦斯抽采钻孔对瓦斯抽采，同时对压裂后煤层透气性变化、瓦斯涌出量等进行分析，从而研究地面压裂对井下瓦斯抽采影响[6-7]。

4.1 煤层透气性

布置测点对地面压裂影响范围内、外煤层透气性进行测定，各布置10个测点，具体测定结果如图3所示。

图3 压裂影响区内、外煤层透气性测定结果

从图3可以看出，压裂后煤层透气性显著增加，压裂影响区内煤层透气性系数均值为3.68 m2/MPa2·d，透气性系数增幅度达到227.2%；压裂影响区内、外测点中透气性系数超过3.0 m2/MPa2·d比例分别为50%、20%，压裂影响区内煤层透气性得以有效提升。

4.2 本煤层瓦斯抽采效果

在轨道巷布置抽采孔对对压裂区以及未压裂区煤层瓦斯进行抽采，钻孔孔深210 m、间距3 m、倾角0°～2°。具体压裂区影响区内、外瓦斯抽采钻孔抽采浓度、纯量均值见表2。

表2 压裂区影响区内、外瓦斯抽采钻孔抽采浓度、纯量监测值

压裂影响区内钻孔瓦斯浓度、抽采量分别为51.5%，4.9 m3/min，影响区外钻孔瓦斯抽采浓度、抽采量分别为30.3%、3.1 m3/min；其中压裂影响区内、外煤层残余瓦斯含量分别为3.26 m3/t、5.57 m3/t。具体压裂影响区内、外瓦斯抽采浓度、纯量均值对比情况如图4所示。

图4 压裂影响区内、外瓦斯抽采浓度、纯量均值对比图

4.3 回采期间瓦斯涌出

工作面回采期间工作面供风量为3 200 m3/min(其中胶带巷、轨道巷进风量分别为2 400 m3/min、800 m3/min)，对工作面在压裂影响区内、影响区外工作面始终保持2.4 m/d推进速度，具体工作面、回风巷瓦斯浓度见表3。

表3 工作面及回风巷瓦斯浓度监监测结果

从表3看出，压裂影响区内、外绝对瓦斯涌出量分别为31 m3/min、56 m3/min，影响区内绝对瓦斯涌出量明显低于影响区外，这主要是由于在压裂作用下影响区内煤层透气性得以显著提升，本煤层瓦斯抽出效果更为显著。在影响区内回采时工作面内以及回风巷内瓦斯浓度分别为0.21%、0.35%，较压裂影响区外的0.45%、0.65%显著降低。

在工作面回采推进至压裂点位置时，发现压裂裂缝主要分布沿着煤层与顶板分布，压裂形成的缝隙宽度在8～12 mm，裂缝以压裂孔为起点向北偏东35°左右扩展。在裂缝中充填有石英砂支撑剂，具体现场情况如图5所示。

图5 压裂孔井底现场图

5 结论

(1)在地面压裂影响区内裂隙首先在天然裂缝位置起裂，并大致沿着最大主应力方向扩展。由于2#煤层顶板为砂岩，煤层内裂隙扩展至顶、底板后会沿着顶底板扩展，易于形成T型裂缝。压裂影响区扩展范围整体呈现椭圆形，其中长半轴、短半轴长度分别约为25 m、10 m。

(2)地面压裂后，2#煤层透气性系数由1.62 m2/MPa2·d增加至3.68 m2/MPa2·d，透气性系数增加227%，煤层透气性增加更有利井下瓦斯抽采；地面压裂影响区内瓦斯抽采钻孔抽采浓度、纯量分别为51.5%、4.9 m3/min，较压裂影响区外分别增加170%、158%；工作面回采时压力影响区内绝对瓦斯涌出量、工作面瓦斯浓度、回风巷瓦斯浓度分别为31 m3/min、0.21%、0.35%，较压裂影响区外分别降低44.6%、53.3%、46.1%。