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第４ ０卷 第３期 ２ ０ ２ ０年９月 山西煤炭 S HAN X IC OA L V o l ． ４ ０ N o ． ３ S e p ．２ ０ ２ ０ 文章编号 １ ６ ７ ２ Ｇ ５ ０ ５ ０２ ０ ２ ００ ３ Ｇ ０ ０ ３ ９ Ｇ ０ ４D O I１ ０ ． ３ ９ ６ ９/j ．i s s n ． １ ６ ７ ２ Ｇ ５ ０ ５ ０ ． ２ ０ ２ ０ ． ０ ３ ． ０ ０ ９ ∗ 水力压裂封孔技术在松软厚煤层中的研究与应用 郝瑞云 山西煤炭进出口集团科学技术研究院有限公司, 太原０ ３ ０ ０ ０ ０ 摘 要 针对霍尔辛赫煤矿３ ＃煤层松软、 透气性差, 钻孔裂隙密封效果差, 瓦斯抽采浓度低的 问题, 提出了水力压裂封孔新工艺, 对目前水力压裂封孔技术参数进行优化.通过理论计算及现场 试验的方式确定最优的封孔参数 封孔深度１ ３m, 封孔段压裂数２条, 压裂深度０ ３ ５m, 注浆压力 １ ５MP a, 注浆量０ ４m ３.实施新工艺后, 初始瓦斯抽采浓度提升约１ ３ １ ８倍, 平均抽采浓度提 升约１ ７倍. 关键词 水力压裂; 松软厚煤层; 瓦斯抽采; 封孔效果 中图分类号T D ７ １ ２ 文献标识码 A 开放科学 资源服务 标识码O S I D R e s e a r c ha n dA p p l i c a t i o no fH y d r a u l i c F r a c t u r i n gS e a l i n gT e c h n o l o g y i nS o f t a n dT h i c kC o a l S e a m H A OR u i y u n I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g yR e s e a r c h,S h a n x i C o a l I m p o r ts o f t a n dt h i c kc o a l s e a m;g a se x t r a c t i o n;s e a l i n ge f f e c t 目前高突矿井瓦斯治理及综合利用措施主要是 采取钻孔瓦斯抽采技术[ １ Ｇ ２].钻孔封孔技术作为瓦 斯抽采的重要技术部分, 决定着瓦斯抽采的效果. 围绕瓦斯抽采封孔技术, 国内外专家学者通过研究 钻孔围岩变形破坏规律, 分析钻孔漏气原理, 提出相 应的封孔理论技术和工艺, 研发出配套的抽采装备 和封孔材料, 提高钻孔的密封性, 增加瓦斯抽采浓 度, 为瓦斯抽采技术发展提供理论指导和实践经 验[ ３].松软煤层由于透气性差, 钻孔围岩受采动二 次破坏裂隙发育严重, 裂隙与外部空气联通形成导 气通道, 抽采负压不稳定, 瓦斯衰减速度快, 钻孔封 孔的难度增加, 瓦斯抽采效果差[ ４].针对松软煤层 封孔工艺存在的封孔参数不合理、 密封效果差等问 题, 研究新型封孔工艺成为提高松软煤层瓦斯抽采 效果的重要研究方向. １ 工程概况 霍尔辛赫煤矿３ ＃煤层埋深约４ ９ ５５ ２ ５m, 煤 厚４ ４ ９７ １ ７m, 平均５ ６ ５m, 构造较简单, 属于稳 定煤层.根据２ ０ １ ８年 矿井瓦斯涌出量测定报告 , ∗收稿日期２ ０ ２ ０ Ｇ ０ ４ Ｇ ２ ９ 作者简介 郝瑞云１ ９ ８ ９－ , 男, 山西交城人, 硕士, 工程师, 从事煤矿安全生产管理工作,E Ｇ m a i l１ １ ９ ８ ４ ２ ５ ０ ０ ２＠q q ． c o m 鉴定霍尔辛赫煤矿为高瓦斯矿井, ３ ＃煤层瓦斯含量 为３ ４ ９１ ５ ７ ９m ３/ t, 平均６ ８ ７m ３/ t; 煤层平均厚 度５ ６ ５m, 透气性系数为０ ０ ９ ０６０ ２ ０ ２８m ２/ MP a ２d .３＃煤层属低透气性难抽－可抽煤层. 目前矿井瓦斯治理主要措施为工作面预抽, 封孔方 式采用“ 两堵一注” 封孔工艺, 钻孔初始抽采浓度为 ４ ７％, 平均抽采浓度为３ １％, 预抽瓦斯量约０ ９ ８ ２ ４ ８ ７ ０m ３/ m i n.导致瓦斯抽采浓度低的主要原因 是封孔效果不理想. 影响瓦斯抽采效果的主要因素为浆液不能完全 与钻孔裂隙形成密闭, 钻孔围岩裂隙发育与外部环 境联通[ ５ Ｇ ６].为了提高抽采效率需要提前人为干预 裂隙发育, 保证浆液能够进入裂隙中, 形成密闭层. 通过理论计算确定合理的封孔深度、 压裂位置、 深 度、 数量等封孔参数, 优化水力压裂封孔工艺. ２ 合理封孔参数计算 ２ １ 合理封孔深度及压裂位置 霍尔辛赫矿煤层赋存深度５ ２ ５m, 上覆岩层容 重２５ ０ ０k N/m ３, 为了能够观测钻孔内壁围岩变形 破坏情况, 分析钻孔密封深度, 采用钻孔窥视仪对 ３ ３ ０ ５工作面瓦斯抽采钻孔内部结构进行观测, 观测 情况如图１所示. 图１ 钻孔内部结构观测图 F i g ． １ D r i l l i n g i n t e r n a l s t r u c t u r e 图１a 可以看出, 钻孔煤壁裂隙发育少, 围岩 完整性较好, 受集中应力变形破坏小; 图１b 可以 看出, 钻孔煤壁裂隙发育, 围岩受集中应力作用发生 弹性破坏; 图１c 可以看出, 钻孔煤壁裂隙发育严 重, 局部发生塌落, 围岩处于应力集中区, 受集中应 力作用发生塑性破坏; 图１d 可以看出, 钻孔煤壁裂 隙发育较图１ c 有所减少, 围岩变形趋于稳定, 围岩 进入原岩应力区, 受扰动的影响逐渐变小. 根据钻孔窥视仪的现场观测, 结合 防治煤与瓦 斯突出细则 规定, 本煤层瓦斯抽采钻孔封孔深度不 低于８m, 按照富余系数２计算, 确定现场封孔深度 取值区间为８１ ６m. ２ ２ 合理压裂深度 根据霍尔辛赫３ ＃煤层巷道实际赋存条件, 煤层 平均厚度５ ６m, 钻孔孔径１ １ ３mm, 钻孔应力按照 各向等压计算为１ １ ２ ５M P a, 修正系数１ ３.将参数 带入围岩裂隙分布公式计算. 钻孔围岩煤体破碎区半径 Rs＝Ro po＋cc o tφ １－s i nφ １＋s i nφ po＋cc o t φ [] １ － s i nφ ２ s i nφ ．１ 塑性区半径 Rp＝Ro po＋cc o tφ １－s i nφ po＋cc o tφ [] １ － s i nφ ２ s i nφ ．２ 弹性区半径 Re＝５Ro ． ３ 式中 Ro为破碎区内边界,０ ０ ８m;po为原岩应力, １ １ ２ ５M P a;c为内聚力,０ ２ ４M P a; φ为内摩擦角, ３ ０ . 通过计算可得钻孔围岩煤体破碎区半径Rs＝ ０ １ ７m; 塑性区半径Rp＝０ ２m; 弹性区半径Re＝ ０ ４m. 确定钻孔围岩松动圈分布范围, 为钻孔封孔压裂 深度提供理论依据.注浆密封应深入钻孔塑性区延 伸至弹性区, 确定合理压裂深度取值区间为０ ２ ０ ４m之间.为保证注浆封孔效果能够渗入钻孔围 岩发育裂隙当中形成密封层, 余量系数取１ ２ ５, 确 定现场封孔压裂深度取值区间为０ ２ ５０ ５ ０m. ２ ３ 合理注浆参数 １ 注浆压力确定.为保证注浆浆液在围岩裂隙 中形成密封层, 按照浆液扩散范围覆盖钻孔围岩塑 性区, 注浆扩散半径根据公式按最大值计算[ ７] pg＝μ Rg－Rz ２ ２ １ ０ ０ ９ ３t ω ２R２ ２ １ z ． ４ 式中 pg为注浆压力,MP a;t为注浆时间,９ ０ ０s;Rg 为注浆半径, 取６ ３c m;Rz为钻孔半径, 带压注浆取 ６ ０mm;ω为裂隙张度, 取０ ４mm; μ为浆液粘度, 取４ ０ MP as.由 公 式 可 确 定 注 浆 压 力 区 间 为 １ ３１ ５MP a. ２ 注浆量确定.钻孔密封效果受注浆量直接影 响.注浆量分为三部分 充填钻孔围岩裂隙注浆量、 ０４ 山 西 煤 炭 第４ ０卷 围岩压裂注浆量、 钻孔封孔注浆量.注浆量根据公 式计算[ ８] Vk＝πrR ２ z－r ２ cl, Vt＝πθr ２ g－R ２ zl, Vf＝ωπBh ２ f, Vg＝φVk＋Vt＋Vf ． ５ 式中 Vk为钻孔浆液体积,m ３; Vt为裂隙浆液体积, m ３; Vf为压裂浆液体积,m ３; Vg为封孔浆液体积, m ３; r为钻孔体积扩大系数, 取１ ３;θ为浆液裂隙体 积系数, 取０ ２ ５;Rz为钻孔半径,６ ０mm; rc为筛管 半径２ ５mm; rg为裂隙半径,２ ５mm;l为封孔深度, 取８１ ６m; hf为压裂半径,１ ２mm;B为钻孔封孔 段缝槽数量, 一般取１３; ω为压裂体积修正系数, １ ２; φ为浆液余量系数, 取１ ２.由公式可确定注浆 量区间为０ ２ ５０ ４ ０m ３. 通过公式计算确定最优封孔参数取值范围, 在 现场进行封孔作业时, 封孔深度控制在８１ ６m, 封 孔压裂深度控制在０ ２ ５０ ５ ０m, 注浆压力控制在 １ ３１ ５MP a, 注浆量控制在０ ２ ５０ ４ ０m ３. ３ 现场试验 本次试验地点３ ３ ０ ５回采工作面运输顺槽, 孔间 距３m, 孔径１ １ ３mm, 孔深１ ２ ０m, 钻孔开孔高度距 巷道底板１ ４m, 钻孔倾角为煤层倾角＋１ .依据 现场试验条件进行抽采钻孔施工设计, 通过试验对 普通“ 两堵一注” 封孔工艺和水力压裂封孔工艺进行 对比分析. 水力压裂封孔工艺采用三水平四因素正交试验 法分析不同钻孔深度、 压裂数量、 压裂位置及压裂深 度, 共布设９组对比试验钻孔, 通过等水平正交试验 极差分析确定最优封孔参数. A组试验钻孔封孔方式采用“ 两堵一注” 封孔 工艺, 设计封孔深度１ ６m, 试验布置如表１所示. 表１ “ 两堵一注” 封孔工艺试验布置 T a b l e１ S e a l i n gp r o c e s s t e s to f t w o Ｇ s e a l i n g Ｇ o n e Ｇ i n j e c t i n g 试验组编号 封孔 深度/m 压裂 数量/条 压裂 位置/m 压裂 深度/m ８ ０d抽采 浓度/％ A １１ ６０００２ ５ ２１ ６０００１ ８ ３１ ６０００１ １ B组D组试验钻孔封孔方式采用水力压裂注 浆封孔工艺, 设 计 封 孔 深 度 分 别 为１ ０ m,１ ３ m, １ ６m; 封孔段压裂数量分别为１,２,３条; 压裂切割 深度分别为０ １ ５m, ０ ２ ０m,０ ３ ５m, 试验布置如表 ２所示. 表２ 水力压裂注浆封孔工艺试验布置 T a b l e２ S e a l i n gp r o c e s s t e s to fh y d r a u l i c f r a c t u r i n ga n dg r o u t i n g 试验组编号 封孔 深度/m 压裂 数量/条 压裂 位置/m 压裂 深度/m ８ ０d抽采 浓度/％ B １１ ０１４０ １ ５３ ５ ２１ ０２６０ ２ ０３ ３ ３１ ０３８０ ３ ５３ ７ C １１ ３１６０ ３ ５３ ８ ２１ ３２８０ １ ５４ ３ ３１ ３３４０ ２ ０３ ７ D １１ ６１８０ ２ ０３ ５ ２１ ６２４０ ３ ５４ ３ ３１ ６３６０ １ ５３ ７ 每隔５d对１ ２组钻孔瓦斯抽采浓度进行检测, 检测时间跨度为８ ０d, 记录１ ８ ０组数据, 将各组钻孔 瓦斯抽采浓度数据绘制成曲线图, 如图２所示. aA组瓦斯抽采曲线图 bB组瓦斯抽采曲线图 cC组瓦斯抽采曲线图 dD组瓦斯抽采曲线图 图２ 各组试验钻孔瓦斯抽采浓度曲线图 F i g ． ２ G a sc o n c e n t r a t i o nc u r v e so fb o r e h o l e s i nd i f f e r e n t t e s t s １４ 第３期 郝瑞云 水力压裂封孔技术在松软厚煤层中的研究与应用 由图２可看出, 采用普通“ 两堵一注” 封孔方式 的A组各钻孔, 其瓦斯抽采浓度偏低, 瓦斯衰减速 度快, 在抽采浓度８ ０d后衰减到２ ０％. 通过对比A组D组钻孔浓度变化可知, 采用 压裂技术后, 钻孔浓度随压裂的数量和深度的增加 而提高.B组钻孔浓度比A组钻孔瓦斯浓度有所 增加, 但受封孔深度不足影响, ８ ０d后抽采浓度衰 减到３ ０％, 衰减速度仍较快.C组与D组瓦斯抽采 浓度高, 瓦斯浓度变化基本一致, 抽采效果好, 试验 期间抽采浓度基本保持在５ ０％以上, 且衰减速率较 小, 封孔效果明显提升. 通过上述试验结果分析可知, 采用水力压裂封 孔技术相较于普通“ 两堵一注” 封孔技术的初始抽采 浓度提升约１ ３１ ８倍, 平均抽采浓度提升约１ ７ 倍.封孔效果随着封孔深度的延伸、 压裂数量和深 度的增加成正比例提高.从正交试验封孔结果及封 孔经济性综合考虑, 最优的封孔参数为封孔深度 １ ３m, 封孔段压裂数２条, 压裂深度０ ３ ５m, 注浆压 力１ ５MP a, 注浆量０ ４m ３. ４ 结论 本文针对松软煤层透气性差, 钻孔裂隙密封效 果差, 瓦斯抽采浓度低等问题, 提出水力压裂封孔技 术.通过理论计算和现场验证, 确定最优的封孔参 数为封孔深度１ ３m, 封孔段压裂数２条, 压裂深度 ０ ３ ５m, 注浆压力１ ５ MP a, 注浆量０ ４m ３.实施 新工艺后, 初始瓦斯抽采浓度提升约１ ３１ ８倍, 平均抽采浓度提升约１ ７倍. 参考文献 [１] 钱鸣高, 许家林, 缪协兴．煤矿绿色开采技术[J]．中国矿业大学学报,２ ０ ０ ３４ ５ Ｇ １ ０． Q I AN M i n g g a o,XUJ i a l i nM I UX i e x i n g ． G r e e nm i n i n gt e c h n o l o g yf o rc o a lm i n e[J]． J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g a n dT e c h n o l o g y,２ ０ ０ ３４ ５ Ｇ １ ０． [２] 谢和平, 周宏伟,薛东杰, 等．我国煤与瓦斯共采 理论、 技术与工程[J]．煤炭学报,２ ０ １ ４,３ ９８ １ ３ ９ １ Ｇ １ ３ ９ ７． X I EH e p i n g,Z HOU H o n g w e i,XU ED o n g j i e, e t a l ． C o a l a n dg a sm i n i n g i nC h i n at h e o r y,t e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n g[J]． C h i Ｇ n e s eJ o u r n a l o fC o a l,２ ０ １ ４,３ ９８ １ ３ ９ １ Ｇ １ ３ ９ ７． [３] 孙东玲, 孙海涛．煤矿采动区地面井瓦斯抽采技术及其应用前景分析[J]．煤炭科学技术,２ ０ １ ４,４ ２６ ４ ９ Ｇ ５ ２． S UND o n g l i n g,S UNH a i t a o ． A n a l y s i s o f s u r f a c ew e l l g a s e x t r a c t i o n t e c h n o l o g ya n d i t s a p p l i c a t i o np r o s p e c t i nc o a lm i n i n ga r e a [J]． C o a lS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,２ ０ １ ４,４ ２６ ４ ９ Ｇ ５ ２． [４] 王宠惠．松软煤层全长筛管护孔及带压封孔技术研究[D]．焦作 河南理工大学,２ ０ １ ５． [５] 张思蔚．水力压裂技术在矿井瓦斯抽采中的应用研究[J]．能源与环保,２ ０ １ ９１ １ ５ ０ Ｇ ５ ３． Z HAN GS i w e i ． R e s e a r c ho n t h e a p p l i c a t i o no f h y d r a u l i c f r a c t u r i n g t e c h n o l o g y i ng a s e x t r a c t i o n i nm i n e s[J]． E n e r g ya n dE n v i Ｇ r o n m e n t a lP r o t e c t i o n,２ ０ １ ９１ １ ５ ０ Ｇ ５ ３． [６] 崔联兵．水力压裂技术在矿井瓦斯治理中的应用[J]．能源技术与管理,２ ０ １ ８３ ２ ３ Ｇ ２ ４． C U IL i a n b i n g ． A p p l i c a t i o no fh y d r a u l i cf r a c t u r i n gt e c h n o l o g yi nm i n eg a st r e a t m e n t[J]． E n e r g yT e c h n o l o g ya n d M a n a g e Ｇ m e n t,２ ０ １ ８３ ２ ３ Ｇ ２ ４． [７] 谢广祥, 常聚才．深井巷道控制围岩最小变形时空耦合一体化支护[J]．中国矿业大学学报,２ ０ １ ３,４ ２２ １ ８ ３ Ｇ １ ８ ７． X I EG u a n g x i a n gCHAN GJ u c a iS t u d yo fs p a c e Ｇ t i m ec o u p l e da n di n t e g r a t i v es u p p o r t i n gm e t h o do fc o n t r o l l i n gt h em i n i m u m d e f o r m a t i o no f s u r r o u n d i n gr o c k i nd e e pm i n er o a d w a y[J]． J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n ga n dT e c h n o l o g y,２ ０ １ ３,４ ２ ２ １ ８ ３ Ｇ １ ８ ７． [８] 梁荣训, 于保宽．本煤层预抽瓦斯钻孔布置间距的优化[J]．煤炭科技,２ ０ １ ３３ １ ０ ０ Ｇ １ ０ ２． L I AN GR o n g x u n,YUB a o k u a n ． O p t i m i z a t i o no fs p a c i n go fp r e Ｇ d r a i n a g eg a sh o l e si nt h i sc o a ls e a m[J]． C o a lS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y,２ ０ １ ３３ １ ０ ０ Ｇ １ ０ ２． 编辑 樊 敏 ２４ 山 西 煤 炭 第４ ０卷
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