金黄庄煤矿水力压裂增透技术研究应用

摘 要：金黄庄煤矿为煤与瓦斯突出矿井，煤层的瓦斯压力高，透气性较差。而且随着开采深度的增加，煤层瓦斯含量、瓦斯压力和地应力相应增大，煤层的突出危险性会继续增大，针对金黄庄煤矿低透煤层的强化，研究应用了增透抽采技术。

关健词：煤矿;水力压裂;增透技术;研究应用

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2015.21.056

1 研究背景

1.1 矿井概况

金黄庄矿业地处苏鲁豫皖交界安徽省宿州市萧县境内，淮北平原北部，黄河故道南岸，紧靠淮海经济区、徐州都市圈中心城市徐州市，地理位置优越，交通方便。井田面积30平方公里，煤炭储量1亿吨。矿井设计生产能力45万吨，服务年限为50年以上。金黄庄煤矿为煤与瓦斯突出矿井，煤层的瓦斯压力高，透气性较差。而且随着开采深度的增加，煤层瓦斯含量、瓦斯压力和地应力相应增大，煤层的突出危险性会继续增大，针对金黄庄煤矿低透煤层的强化增透抽采技术的研究迫在眉睫。

1.2 增透技术简介

增透技术手段随着瓦斯治理工作的深入开展也在不断提高，目前国内突出煤矿所采。目前国内对低透气突出煤层的卸压增透措施可分为两类，一类是煤层层外卸压增透技术，另一类是煤层层内卸压增透技术。煤层层外增透技术在一些方面已经应用较为成熟且效果显著，例如开采卸压层技术。根据目前国内外研究成果，水力压裂技术可以实现大范围卸压增透，并大幅度提高瓦斯抽采效率。将水力压裂强化增透技术与底板巷穿层钻孔预抽瓦斯技术相结合，便能以实现首采工作面的大范围卸压增透，进而实现高效消突，从而实现矿井安全高效生产。特别是在近两年煤炭产业效益下滑的形势下，煤矿在瓦斯治理方面的投入却越来越大，在这种经济背景下，从技术、经济角度提高煤层卸压增透效果是煤矿必由之路，而采用井下水力压裂增透则是最适宜的技术手段。

1.3 增透技术应用

金黄庄煤矿煤层的透气性较差，导致了B103首采工作面的底板穿层钻孔预抽效果非常不理想，既大幅增加了抽采钻孔数量，增大了抽采成本，同时也严重影响到了矿井的安全生产。因此必须采取辅助的卸压增透措施，以提高抽采和消突效果。为提高B103工作面底抽巷穿层抽采效果为目的，金黄庄矿业与安徽理工大学合作共同研究B103工作面底抽巷穿层水力压裂增透技术，利用穿层钻孔对回采区域煤层进行水力压裂作业，使煤层得到大范围卸压，从而增加煤层内部裂隙，提高煤层透气性，提高预抽穿层钻孔抽采效果。

2 水力压裂增透技术内容

2.1 技术内容

通过本次水力压裂增透技术的研究，形成了适用于金黄庄煤矿的底板巷穿层钻孔水力压裂工艺。具体工艺流程包括：压裂设备选型及调试、压裂钻孔设计与施工、测定煤层基础参数、压裂钻孔封孔、高压水力压裂、施工抽采钻孔、压裂效果检验、数据分析。

2.2 原理

煤层水力压裂技术是一种通过使煤层卸压来达到强化抽采瓦斯目的的方法。其基本原理是利用高压泵将水在一定的压力下通过钻孔压入煤岩层，使其载荷急剧增高，在地应力和水压的综合作用下使钻孔壁产生位移，扩大钻孔周围煤体的卸压区域，使煤体内产生更多裂隙，最终在煤层中形成高透气性瓦斯抽采带，提高瓦斯抽采率。

2.3 工艺流程

水力压裂工作按时间先后顺序分九个步骤，具体工艺流程如下：①围岩裂隙注浆钻孔设计、施工及注浆②压裂设备安装与调试③压裂钻孔设计与施工④测定瓦斯基础参数及煤层含水率⑤压裂钻孔封孔⑥水力压裂⑦压裂效果检验⑧施工抽采钻孔⑨数据分析。

3 矿水力压裂增透的效果

通过压裂后瓦斯含量的测试分析，高压水导致瓦斯气体被驱赶至较远的区域，并在压力孔附近形成低含量区域。而当压裂孔内的水被排出后，裂缝内的水将空间还给瓦斯气体，被驱赶至其他区域的瓦斯缓慢运移至该区域。由于水在煤体表面会形成一层水膜，同时孔隙内的水分也会堵塞瓦斯运移通道，因此“回填”的瓦斯气体较少，这也导致了压裂孔附近区域虽然压裂效果最好，但瓦斯富集量却最少。综合瓦斯运移规律及水力压裂特征，本次水力压裂的影响范围达到20m半径。

压裂后的抽采钻孔具有“水份边散失，瓦斯边解吸”特征，即抽采钻孔的抽采浓度和单孔抽采瓦斯流量曲线均存在明显的初期上升过程、快速上升过程、稳定过程三个阶段。根据试验数据分析，在煤体的亲水性、瓦斯放散速度等因素的影响下，金黄庄矿压裂后抽采的初期上升过程可能要持续15天左右，而后便进入快速上升期。

通过本次水力压裂增透实验，该区域的瓦斯抽采浓度大幅度提高（最高达到原始区域的4倍之多），瓦斯抽采纯流量明显提升（为未压裂区域的3.04倍，甚至最高达到几十倍）。而且，瓦斯的平均抽采速率是原始区域的2.5倍（最高达到6.17倍）。

数据表明，水力压裂增透措施显著的提高了瓦斯抽采率，增透、增产时间长。水力压裂增透技术达到了预期。

总之，传统的密集钻孔进行瓦斯抽采，煤层透气性较低，抽采时间长，严重影响生产进度。而水力压裂增透技术的实施有效的缩短了煤层消突时间，减少了抽采达标时间，为矿井安全生产提供了保障。此方法达到了国内领先水平。具有广泛的推广应用价值和良好的经济社会效益。