文/王瑞　白鹏

低透气性煤层高压水预裂试验及效果分析

文/王瑞白鹏

煤矿低透气性煤层瓦斯治理是世界性难题，长期以来一直未得到彻底解决，此类煤矿瓦斯事故多发、易发，生产效率低下，高效开采难以实现。山西石泉煤业有限责任公司为高瓦斯矿井，现开采煤层为3#煤层，为较难抽采煤层，矿井客观存在煤层瓦斯含量大、透气性差、吸附性强、单孔抽采钻孔衰减快，抽采效果差及“抽掘采”衔接紧张等实际情况，采用常规的瓦斯治理技术难以达到预期效果，瓦斯治理难度极大，严重制约矿井正常生产接续。经过实践，高压水预裂新技术效果显著，煤层透气性增强，单孔抽采钻孔衰减缓慢，煤层内游离瓦斯所占比例明显加大，单孔瓦斯抽采钻孔浓度呈高倍数递增，抽采纯瓦斯量大幅度提升，为瓦斯利用所需气源呈梯次递增提供了技术支撑，夯实了高瓦斯矿井安全生产基础。

一、30103工作面基本概况

石泉煤业30103备抽工作面走向长度为821m，倾向长度为180m，煤层厚度平均为6.4m，工作面煤层直接顶为砂质泥岩，基本顶为细砂岩，煤层底板直接底为泥岩，基本底为中粒砂岩。工作面沿走向回采，采用综采放顶煤开采，采用一进两回“U+I”型通风方式。30103工作面共布置三条顺槽，其中胶带顺槽和轨道顺槽均沿煤层底板掘进，分别作为工作面进风巷和回风巷，内错尾巷沿煤层顶板掘进，作为专用排瓦巷，30103备抽工作面巷道平面布置如图1所示。

二、高压水预裂实施方案

30103胶带顺槽瓦斯含量为10.49m3/t，瓦斯压力为0.43Mpa。根据30103工作面掘进期间瓦斯涌出量预测，30103工作面绝对瓦斯涌出量约为20.5m3/min，相对瓦斯涌出量为12.6m3/t。由于煤层透气性较差，采用普通的平行钻孔预抽煤层瓦斯，单孔瓦斯抽放浓度较低且衰减较快。为了增加煤层透气性，提高工作面瓦斯抽采率，提升矿井整体通风能力，缓解风量紧张的局面，决定在30103胶带顺槽实施本煤层顺层钻孔高压水预裂煤层。

1.预裂钻孔布置方案

距30103胶带顺槽开口处308m处施工一个注水孔，注水孔距底板为1.3m，孔径为Φ75mm，孔深为150m，倾角为0°，方位角为90°。

距底板1.6m与注水孔平行布置1个返水孔，两个钻孔间距为12m，孔径为Φ113mm，孔深为150m，倾角为0°，方位角为90°。

图1　30103备抽工作面巷道平面布置图

注水孔封孔采用Φ50mm钢管，孔口加装闸阀，采用水泥砂浆封孔，封孔长度为15m，孔口装设压力表。

返水孔封孔采用Φ75mm×8m双抗管，采用水泥砂浆封孔，封孔长度为12m，孔口装设压力表。

施工钻孔采用低钻速、大扭矩ZDY4000S型矿用全液压坑道钻机，为了保证施工钻孔期间安全，在孔口安设孔口喷雾。

钻孔施工采用井下静压水，注水孔和返水孔间距为12m，钻孔布置如图2所示。

图2　30103胶带顺槽高压水预裂钻孔布置示意图

2.高压注水预裂实施方案

（1）高压注水预裂工艺

采用BZW63/31.5-SZ型高压柱塞泵，额定注水压力为31.5MPa，额定流量为63L/min。

注水前配齐压力表、流量表，以便及时掌握注水情况；注水过程中需连续记录注水压力及流量，必须安排专人做好详细的原始记录，根据现场实际情况，适时调整预裂参数。注水压力不得小于20MPa。

每次注水需5个小时左右，采用间歇式注水，待煤壁挂汗返水孔出水后，表明注水孔和返水孔间距12m范围，长150m面积范围内的煤体内水分已达到饱和状态，即说明煤体注水工作完成。

（2）高压注水施工安全技术措施

注水前必须对高压注水泵进行全面检查，确保高压注水泵运行正常。

进入注水地点，必须首先检查工作现场周围巷道煤层顶、帮情况，检查确认安全后，方可进行注水作业，且注水地点风流中瓦斯浓度不得超过0.5%。高压注水泵安设位置距注水孔间距不得小于30m，通过高压胶管与注水孔进行连接，注水泵必须安装牢固，靠巷道一侧放置。此外，接、拆注水泵电源需办理接停电手续，并由专职电工负责操作。

注水前，必须检查各连接件连接是否牢靠，高压胶管连接必须用正规U型卡进行连接，并采用8#铁丝将连接处系牢加固。同时，还须认真检查注水系统和注水管线的气密性，在高压管路密封性不严密或有破损现象时，禁止注水；若发现松动，必须及时进行有效连接，防止脱扣伤人；当高压胶管处于承压状态或注水期间，禁止连接、拆卸和修理高压管路。

注水期间，必须安排专人观察注水钻孔周围及邻近顶板、煤帮及支护情况，若发现异常情况，必须立即停止作业，采取措施进行处理。严禁人员正对注水孔，若发生片帮、冒顶或其它异常情况时，必须立即停止注水。必须经常检查注水钻孔附近处瓦斯浓度，若发现瓦斯浓度增大或存在异常涌出现象，必须及时汇报，采取针对性措施后，方可继续进行注水。注水结束后，操作人员必须对注水管路进行卸压，卸压后方可拆除设备。

注水高压胶管必须采用14＃铁丝绑扎吊挂在巷道帮部，且在高压胶管通过地段两端悬挂警示牌并设置安全警戒，禁止人员通过，防止高压胶管脱落或爆裂伤人。

注水前后，必须检查两钻孔内的瓦斯浓度，并作好记录，为注水半径确定、注水效果分析提供依据。

三、试验方法及效果分析

1.试验方法

在30103胶带顺槽实施煤层高压注水预裂试验期间，当注水预裂压力泵达到8MPa时，周围巷道顶板、煤壁出现掉渣、响动现象，当注水达到一定程度，相邻返水孔出现出水现象，说明当注水压力达到8Mpa时相邻钻孔之间的煤层裂隙已通过高压预裂导通，应力集中区重新进行分布，裂隙发育，即可将抽采半径扩大到12m，相当于目前石泉煤业抽采半径的6倍。为了考察高压注水压裂后的抽采效果，对注水孔和返水孔实施连接抽采，采集高压预裂后单孔瓦斯浓度及抽采纯瓦斯量等参数，如图3、图4所示，与普通抽采钻孔参数进行对比、分析其预裂效果。

2.试验效果分析

煤体采取高压水预裂后，由于钻孔壁原生裂隙及压裂裂隙在高压水作用下扩展发育并相互导通，使得原岩应力向深部转移，瓦斯随着钻孔周围煤层卸压及压裂裂隙沟通向钻孔内流动，由图3、图4可以得出：

（1）钻孔实施抽采后，钻孔单孔浓度大幅度提高；预裂后1#、2#孔瓦斯浓度在10%～40%，平均瓦斯浓度为19.43%。实施抽采7个月后，瓦斯抽采浓度仍然还能达到15%。

（2）抽采纯瓦斯量呈高倍数递增；1#孔、2#孔的抽采纯瓦斯量在0.04m3/min～0.1m3/min，平均抽采纯瓦斯量为0.07m3/min，两个钻孔的抽采纯瓦斯量相当于普通抽采钻孔的4～5倍，足可见预裂对瓦斯抽采效果明显。

图3　1#孔瓦斯抽采浓度及抽采纯量变化规律

图4　2#孔瓦斯抽采浓度及抽采纯量变化规律

（3）煤层透气性增强，单孔衰减程度降低；高压水预裂后，钻孔瓦斯抽采浓度随着时间的推移有增大的趋势，煤层透气性增强，瓦斯抽采浓度及抽采纯量明显增大。

（4）实施高压水预裂并进行抽采后煤层瓦斯含量和压力均大幅度降低，实现真正意义上的消突治突；对1#孔、2#孔间距为12m范围的煤体内煤层瓦斯含量和压力分别进行测定，煤层瓦斯含量为4.65m3/t，降低56%；瓦斯压力为0.21Mpa，降低51%。

（5）实施高压水预裂抽采半径呈高倍数递增，减小了钻孔工程量，降低了瓦斯治理成本。

四、结论

实践表明，高压水预裂技术能够有效提高单孔瓦斯抽采浓度及瓦斯抽采纯量，相较于普通预抽钻孔高4～5倍。同时，抽采浓度衰减时间明显增长，有效提高了瓦斯抽采效率，使煤层瓦斯抽采半径呈高倍数增加。钻孔工程量减少90%以上，降低了瓦斯治理成本。

（作者单位：华电煤业集团有限公司山西分公司、山西石泉煤业有限责任公司）

（责任编辑：周琼）