复合水力化增透技术在低渗突出煤层瓦斯抽采中的应用_邱德才.pdf

第 43 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 43 No.1 2015 年 2 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Feb. 2015 收稿日期 2013-07-11 作者简介 邱德才（1967），男，四川彭州人，工程师，从事煤矿一通三防工作. E-mailwuguip 引用格式 邱德才，武贵生，陈冬冬，等. 复合水力化增透技术在低渗突出煤层瓦斯抽采中的应用［J］. 煤田地质与勘 探，2015，43（1）13-16. 文章编号 1001-1986（2015）01-0013-04 复合水力化增透技术在低渗突出煤层瓦斯抽采中的应用 邱德才 1，武贵生1，陈冬冬2，唐志龙3 （1. 成都地奥矿业能源公司通防部，四川 成都 610041；2. 中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安 710077；3. 地奥矿业能源公司南川宏能公司，重庆 408400） 摘要 为增加低渗突出煤层的透气性，提高煤层瓦斯抽采率，提出“钻扩一体化水力压裂”复合水 力化增透技术。介绍了该技术的原理及工艺系统组成等，并在重庆南川宏能煤矿进行了工程试验。 试验结果表明，与采用单一“水力压裂”和单一“钻扩一体化”水力化技术的钻孔相比，采用复合水 力化增透技术的钻孔，其瓦斯抽采纯量较前二者分别提高了 3.37 倍和 2.80 倍，瓦斯抽采体积分数 分别提高了 3.35 倍和 2.64 倍。 关 键 词钻扩一体化；水力压裂；复合水力化增透技术 中图分类号TD712.6 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2015.01.003 Compound-hydraulic technology enhancing permeability in lowly permeable and outburst-prone seam QIU Decai1， WU Guisheng1， CHEN Dongdong2， TANG Zhilong3 （1. Chengdu Di-Ao Mining and Energy Resources Co.， Ltd， Chengdu 610041， China； 2. Xi′an Research Institute， China Coal Technology and Engineering Group Corp， Xi′an 710077， China； 3. Nanchuan Hongneng Coal Limited Company， Chongqing 408400， China） Abstract In order to increase the permeability and improve gas extraction rate of the outburst-prone coal seam， this paper puts forward the compound-hydraulic technology， introduces the principle and system composition of the technology. The engineering test shows that the gas drainage quantity of compound-hydraulic technology increased by 3.37 times and 2.80 times more than that of single-hydraulic technology， and gas concentration increased 3.35 times and 2.64 times respectively. Key words drilling and reaming integration； hydraulic fracturing； compound-hydraulic technology enhancing permeability 目前，在不具备保护层开采条件时，预抽煤层 瓦斯便成为煤与瓦斯突出煤层（以下简称突出煤层） 唯一的区域消突措施。通过预抽煤层瓦斯可降低煤 层瓦斯含量和压力，消除煤与瓦斯突出危险性，减 少开采时的瓦斯涌出量。在预抽煤层瓦斯时，抽采 效果主要取决于煤层的透气性［1-2］。为提高煤层瓦斯 抽采效果，消除煤层突出危险性，我国突出矿井普 遍采取深孔预裂爆破、水力压裂、水力割缝和钻扩 一体化等增透技术［3-4］。而对于低渗突出煤层，单一 的增透措施虽取得了一定效果，但仍存在钻扩有效 抽采范围小、抽采效率低、所需抽采时间长等问题。 因此，寻求一条有效扩大钻孔抽采范围、进一步提 高钻孔瓦斯抽采效率的新技术途径是当前亟待解决 的问题。为此，本文提出水力化复合增透技术，该 项技术较单一水力化措施能显著地扩大钻孔卸压范 围、改变原始煤层透气性、提高瓦斯抽采效果，实 现快速消突。 1 “钻扩一体化水力压裂”复合水力化增透技术 1.1 复合水力化增透技术的消突机理 “钻扩一体化水力有压裂”复合水力化增透技 术以高压水作为动力，将旋转冲击和静态高压注水 两者相结合。首先，采用钻扩一体化卸压技术，依 靠高压水的旋转冲击力，使得受力煤体逐渐破碎， 并随钻排出孔外，引起孔道周围的煤体向孔道方向 发生大幅度的蠕动，促使孔道周围一定范围内煤体 应力得以释放，增加煤体裂隙；然后，再采用水力 压裂技术，使原有裂隙和孔隙扩张、延伸并沟通、 ChaoXing 14 煤田地质与勘探 第 43 卷 煤体产生卸压，促进吸附瓦斯解吸，游离瓦斯沿相 互沟通的孔隙和裂隙流动， 从而提高煤层预抽效果［5］。 煤体卸压，弹性潜能释放，瓦斯得到放散，煤体内 瓦斯压力下降，进而大幅度提高煤层透气性［6］，促 进瓦斯解吸和排放，以影响半径范围交叉 2 m 的间 距成梅花形布置钻孔，杜绝压裂空白带，给压裂的 煤体形成瓦斯通道， 既大大降低煤层中的瓦斯压力， 又使煤的塑性增高，同时部分消除了煤体的应力， 还改变了突出煤的物理力学性质，从而起到在采掘 作业时防止突出的作用［7］。 1.2 复合水力化增透技术工艺及装备 1.2.1 钻扩一体化技术 a. 成套装备 主要由钻扩一体化钻头、钻杆、高压旋转水辩、 乳化液泵、高压胶管、高压阀门、钻机、气、水、 煤分离防喷装置等组成（图 1）。 图 1 钻扩一体化技术装备及工艺图 Fig.1 The equipments and technology of the drilling and reaming integration b. 工艺技术 在已施工的穿层孔中，利用矿用钻机带动钻杆 及扩孔钻头旋转钻进；高压水通过钻扩一体化钻头 喷嘴喷出高压水射流径向、轴向切割煤体；钻头截 齿钻进并切割大块煤以防止钻孔堵塞，高压水辩实 现钻杆连续旋转促进钻孔排渣。钻扩一体化措施达 到有效扩大钻孔直径、增加煤层暴露面积和钻孔径 向卸压范围的目的，从而实现降低煤层瓦斯压力、 提高煤层的透气性和瓦斯抽采效果。 1.2.2 水力压裂技术 a. 成套装备 主要由橡胶煤层注水封孔器、乳化液泵、双功 能高压水表、高压胶管等组成（图 2）。 b. 工艺技术 水力压裂技术是在抽采钻孔布置及预抽基础 上，通过钻孔将高压水注入煤体中。首先，在高压 驱动下，水沿着煤体中的大裂隙流动，并在毛细管 力及水的重力作用下向煤体内吸吮渗透，使煤体中 裂隙和空隙的容积以及煤体的结构发生变化，甚至 造成煤体的破坏和松动， 起到水力压裂煤体的作用； 图 2 水力压裂装备及工艺图 Fig.2 Equipment and technology of hydraulic fracturing 同时，煤体经注水湿润，增加煤的水分和尘粒间的 黏着力，降低煤的强度和脆性，降低煤的弹性模量， 增大了泊松比，进而消除或降低采掘过程中煤层的 突出危险性。水力压裂的核心技术为高压注水、预 抽瓦斯和封孔技术等。高压注水工艺如图 2 所示。 2 复合水力化增透技术的现场应用 2.1 试验区概况 成都地奥矿业能源公司南川宏能煤业有限公司 （简称“南川宏能煤矿”）开采煤层为二叠系龙潭组 6 号 煤层，矿井东翼透气性系数为 0.033 975 m2/MPa2d， 属较难抽采煤层。为考察复合水力化技术的增透效 果，在南川宏能煤矿 E1322 底抽巷进行煤层水力化 复合技术实验。 E1322 采区底板瓦斯抽采巷位于 6 号煤层底板 铝土岩以下的茅口灰岩中，围岩质纯、性脆，节理 裂隙比较发育，距 6 号煤层 25 m。试验区 6 号煤层 埋深 240 m， 煤层赋存较稳定； 煤层厚度为 1.4～2.5 m， 平均厚度 1.85 m；倾角 25～35，平均倾角 30。实 测煤层干煤无灰基瓦斯含量为16.532 m3/t；煤层瓦斯压 力为1.32 MPa；煤对瓦斯的吸附常数a28.717 3 m3/t， b1.132 2 MP-1； 煤的真密度1.53 t/m3， 视密度1.37 t/m3； 煤的坚固性系数（f 值）为 0.28；瓦斯放散初速度 △p17。 2.2 主要技术参数选取 2.2.1 钻扩一体化扩孔压力的选择 为考察不同直径水射流喷嘴、不同喷嘴个数以 及不同水射流压力等条件下钻扩一体化设备的作用 效果，根据实际钻扩一体化的需要，在地面进行了 不同射流孔眼的射流试验，提出适合南川宏能钻扩一 体化的工艺参数。 所试验的水射流喷嘴直径有 2.1 mm、 3.4 mm、5.0 mm（图 3）；考察的喷嘴个数分别为 1、 2、4 个；考察的水射流水压分别为 8 MPa、10 MPa、 12 MPa、14 MPa 等。不同规格喷嘴水射流试验结果 如表 1 所示。 水射流基本段长度、射流中心压力和最大有效 ChaoXing 第 1 期 邱德才等 复合水力化增透技术在低渗突出煤层瓦斯抽采中的应用 15 表 1 不同规格喷嘴水射流试验结果表 Table 1 Experimental result of water-jet nozzle of different diameter 喷嘴规格/mm 试验压力/MPa 基本段长度/m 总射程/m 射流中心压力/MPa最小有效射程/m 最大有效射程/m 2.1 8～16 0.2 3 7.35～5.35 0.3 0.6 3.4 8～16 0.31 4 10.2～6.96 0.4 0.8 5.0 8～16 0.45 4 7.64～5.0 0.6 0.9 图 3 不同直径的水射流喷嘴实物图 Fig.3 Water-jet nozzle of different diameter 射程是衡量水射流工艺质量的重要指标［8］。这里的 最大有效射程是指水射流中心压力到最小破煤压力 时的最大射程，这也是钻扩一体化对水射流最基本 的要求。由表 1 可知，基本段长度和破煤有效射程 随喷嘴直径的增加而有所增长，但增长幅度不同 从 2.1 mm 增加到 3.4 mm 时， 有效射程增加了 50％； 从 3.4 mm 增加到 5.0 mm 时，最大有效射程只增加 了 17％。综合分析认为，选用直径为 3.4 mm 的喷 嘴最佳，为了提高冲孔效率和水射流压力损失， 决定选用 2 个喷嘴，且对眼设置；最佳水射流压力为 8～10 MPa，最高压力控制在 16 MPa 左右。 2.2.2 水力压裂压力的选择 一般认为，煤层发生压裂的压力大小主要取决 于地层的垂向压力，且煤层压裂压力与煤层赋存深 度之间大致呈直线关系［9］，可用下式表示 f 0.026 53.5PH （1） 式中 Pf为煤层压裂压力， MPa； H 为煤层赋存深度， m。 南川宏能 E1322 底抽巷研究区范围内对应的 6 号煤层埋深为 240 m，将其代入式（1），计算得出 6 号煤层水力压裂压力（Pf）为 9.86 MPa。 2.3 水力化复合增透技术效果考察 为考察“钻扩一体化水力压裂”复合水力化增 透技术与单一水力化措施的增透效果，对施工的考 察孔采取了对等施工措施（图 4），记录其抽采数据， 并绘制了压裂期间的流量及压裂变化曲线（图 5）。 根据近 30 d 的瓦斯抽采数据，统计分析了考察 孔（采用“钻扩一体化水力压裂”复合水力化增透技 术）与对比孔（单一“钻扩一体化”措施孔和单一“水力 压裂”措施孔）在抽采负压 14～17 kPa 下的单孔瓦斯体 积分数变化和瓦斯抽采量变化情况（图 6图 9）。由 图 6图 9 可以看出 a. 对于采用单一“水力压裂”技术的钻孔，其瓦 1考察孔（已扩孔）；2水力压裂孔；3考察孔（未扩孔） 图 4 水力压裂钻孔布置图 Fig.4 Drillhole layout of hydraulic fracturing 图 5 水力压裂时间、注水量及压力变化曲线图 Fig.5 Variation of injected water volume，pressure with the time of hydraulic fracturing 图 6 “水力压裂扩孔”与单一“水力压裂”钻孔 瓦斯体积分数对比图 Fig.6 Contrast of gas concentration of “hydraulic fracturing＆ reaming” and “hydraulic fracturing” in hole 图 7 “水力压裂扩孔”与单一“钻扩一体化”钻孔 瓦斯体积分数对比图 Fig. 7 Contrast of gas concentration of “hydraulic fracturing＆ reaming” and“ drilling and reaming integration” in hole ChaoXing 16 煤田地质与勘探 第 43 卷 图 8 “水力压裂扩孔”与单一“水力压裂”钻孔 瓦斯抽采纯量对比图 Fig.8 Contrast gas drainage quantity of “hydraulic fracturing ＆reaming ” and “hydraulic fracturing” in hole 图 9 “水力压裂扩孔”与单一“钻扩一体化”钻孔 瓦斯抽采纯量对比图 Fig.9 Contrast of gas drainage quantity of “hydraulic fractu- ring＆reaming ”and “ drilling and reaming integration”in hole 斯抽采体积分数及抽采纯量普遍较低钻孔瓦斯抽采体 积分数最高为 15％，最低为 1％，平均 6.64％；钻孔瓦 斯抽采纯量最高为0.065 m3/min， 最低为0.006 8 m3/min， 平均为 0.027 m3/min。采取复合水力化增透技术后， 钻孔瓦斯抽采效果得到显著提升钻孔瓦斯抽采体 积分数最高为 47％，最低为 3％，平均 22.28％，是 采取单一“水力压裂”钻孔瓦斯抽采体积分数的 3.35 倍； 钻孔瓦斯抽采纯量最高为 0.183 3 m3/min， 最低为 0.054 m3/min，平均为 0.091 m3/min，是采 取单一“水力压裂”钻孔瓦斯抽采纯量的 3.37 倍。 b. 对于采用单一“钻扩一体化”技术的钻孔，其 瓦斯抽采体积分数最高为 18％，最低为 5％，平均 9.96％；钻孔瓦斯抽采量最大为 0.09 m3/min，最小为 0.02 m3/min，平均为 0.05 m3/min。采用复合水力化 增透技术后，钻孔瓦斯抽采效果亦得到显著提升钻 孔瓦斯抽采体积分数最高为 47％，最低为 18％，平均 26.32％，是单一“钻扩一体化”钻孔瓦斯抽采体积分数 的 2.64 倍；钻孔瓦斯抽采纯量最大为 0.24 m3/min， 最小为 0.02 m3/min， 平均为 0.14 m3/min， 是单一“钻 扩一体化”钻孔瓦斯抽采纯量的 2.80 倍。 3 结 论 a. 复合水力化增透技术是“钻扩一体化”与“水 力压裂”增透技术的配套组合与集成， 该技术能够进 一步提高煤层瓦斯抽采率。重庆南川宏能煤矿现场 试验结果表明对于采用“钻扩一体化水力压裂” 复合水力化增透技术的钻孔，其瓦斯抽采体积分数 是采用单一“水力压裂”钻孔的 3.35 倍，是采用单一 “钻扩一体化”钻孔的 2.64 倍；其钻孔瓦斯抽采纯量 是采用单一“水力压裂”钻孔的 3.37 倍，是采用单一 “钻扩一体化”钻孔的 2.80 倍。 b. “钻扩一体化水力压裂”复合水力化增透技 术较单一水力化技术能显著提高低渗透率煤层钻孔 的瓦斯抽采效果，节省抽采时间，实现快速消突， 具有较好的推广应用价值。 参考文献 ［1］ 孟贤正，曹建军，何清，等. 水力化高效防突集成技术研究与 应用［J］. 矿业安全与环保，2009，36（8）49-53. ［2］ 孙炳兴，王兆丰，伍厚荣，等. 水力压裂增透技术在瓦斯抽采 中的应用［J］. 煤炭科学技术，2010，38（11）83-85. ［3］ 王建国，郑保川，辛欣平. 煤巷掘进综合防突技术措施［J］. 煤 炭科学技术，2003，31（8） 21- 23. ［4］ 薛胜雄，黄汪平，陈正文. 高压水射流技术与应用［M］. 北京 机械工业出版社，1998. ［5］ 李黎，阮欣，滕国伟，等. 水力压裂技术提高煤层透气性研究 及应用［J］. 煤矿现代化，2011（5）33-34. ［6］ 王兆丰，范迎春. 水力冲孔技术在松软低透突出煤层中的 应用［J］. 煤炭科学技术，2012，40（2）52-55. ［7］ 林伯泉，张建国. 矿井瓦斯抽放理论与技术［M］. 徐州中国 矿业大学出版社，1996. ［8］ 范迎春. 水力冲孔强化瓦斯预抽区域防突技术研究［D］. 焦 作河南理工大学，2012. ［9］ 于不凡. 煤与瓦斯灾害防治及利用技术手册（修订版）［M］. 北 京煤炭工业出版社，2005. （责任编辑 张爱香） ChaoXing