余正敖 张翠兰 向沉钱 谢飞

摘 要：为解决新元煤矿高瓦斯低透气性突出煤层3#煤层瓦斯抽采效率较低，钻孔工程量较大，抽采达标时间长等难题，采取双泵并联水力压裂增透技术对该矿31009工作面回风巷3#突出煤层进行了压抽处理，实现了单孔瓦斯日最大抽采纯量754m3/d，日平均抽采纯量596m3/d的显著效果，达到了提高瓦斯抽采效率，降低钻孔工程量，缩短抽采达标时间等目的。

关键词：双泵并联；水力压裂；增透；瓦斯治理

中图分类号：TD712 文献标志码：A

0 引言

阳泉矿区是我国大型的煤炭生产基地之一，是我国典型的高突矿区，开采过程中矿井瓦斯涌出量普遍较大，最大可达197m3/min，矿井瓦斯严重威胁着矿井的安全生产和经济效益的发挥。

山西新元煤炭有限责任公司隶属于阳泉煤业（集团）有限责任公司，新元煤矿3#煤层为煤与瓦斯突出煤层，原始瓦斯含量达14.89m3/t，煤层瓦斯压力为2.44MPa。针对矿井目前存在的瓦斯含量高、瓦斯压力大等难题，研究应用双泵并联水力压裂增透技术，以达到经济、快速、安全、高效地抽采煤层瓦斯的目的。

1 水力压裂增透机理

双泵并联水力压裂增透技术就是用并联的两台高压泵向孔内压入液体，使其产生新的裂缝和使原始裂隙张开形成新的流通网络，而增大煤体透气性，有利于瓦斯在煤体内的流动。水力压裂需要通过控制高压水的压力和排量，使压裂影响控制在一定的范围之内，以免出现可能导致的巷道围岩变形，顶底板管理困难的状况，并在压裂影响范围内形成均匀抽采瓦斯的立体通道网络。

2 双泵并联水力压裂系统及装备

双泵并联水力压裂系统通常主要包括压裂泵组（压裂泵、电机和控制系统等）、YLGH70型压裂管汇系统、高压胶管、孔内封孔管等。

压裂泵选用两台陕西宝鸡航天动力公司研发的BYW65-400型压裂泵组并联压裂，该泵组性能稳定、可靠性高、输出能力大，柱塞直径D=11.5cm时，最大输出压力40MPa，柱塞直径D=9cm时，最大输出压力60MPa；采用YLGH70型压裂管汇系统和φ5cm/2000cm/70MPa的高压胶管，最大承受压力70MPa；孔内压裂管采用外径50mm，壁厚8mm，单根长度200cm，耐压强度70MPa的无缝钢管。

3 双泵并联水力压裂方案设计及实施

3.1 工作面概况

新元煤矿31009辅助进风巷沿3号煤层顶板由东向西下坡掘进施工，对应地面标高1104.87m、井下标高486.0m，埋深618.87m，煤層倾角一般为2°～4°，平均3°，煤层厚度2.85m，煤层结构简单。煤层赋存稳定，结构较简单，属中灰、低硫的优质贫瘦煤。煤层以亮煤为主，内生裂隙发育。煤层中一般含1～2层泥质夹矸，厚度一般为0.02m～0.05m，平均0.03m。

顶板围岩情况：直接顶为砂质泥岩，厚度为1.49m左右；老顶为细粒砂岩，厚度为1.65m左右，上部依次为2.15m的砂质泥岩和1.90m的粉砂岩。底板为0.56m的砂质泥岩，直接底为0.97m的粉砂岩，老底为2.35m的砂质泥岩。

3.2 钻孔设计、施工及封孔

由于煤层赋存、地质构造等情况均不确定，因此设计在31009回风巷迎头距31009辅助进风巷真厚10m垂距、平距8.6m处施工两个地质探孔（辅助孔），水力压裂后兼做放水和抽采孔。两个地质探孔施工完成后，根据探测情况系统分析，设计在31009回风巷迎头施工31009辅助进风巷沿3号煤层顶板的顺层压裂钻孔，设计孔深176.6m。

新元煤矿31009辅助进风巷在双泵并联水力压裂实施过程中，1#泵最大压力25.2MPa、最大流量37.3m3/h、注入总水量389.2m3；2#泵最大压力24.9MPa、最大流量37m3/h、注入总水量390.8m3。两台泵稳定压力为18MPa，合计注入总水量780m3。

压裂钻孔施工完成后，压裂钻孔采用无缝钢管加水泥砂浆、孔口段采用聚氨酯化学材料、封孔管末端采用马尾巴、中间采用注入水泥砂浆封堵，封孔段长度60m。两个辅助钻孔均采用“两堵一注”的方式封孔，封孔长度为30 m。压裂前，在辅助孔孔口安装承压不少于70MPa的截止阀。

在钻孔施工、封孔的同时安排进行两台水力压裂泵组的运输、安装、调试以及压裂管路的铺设工作，在所有钻孔封孔及压裂泵组调试完成后进行双泵并联水力压裂系统试运行和打压试验。

4 双泵并联水力压裂效果分析

4.1 压裂影响范围判定

本次试验主要采用物探法和钻探法对压裂范围进行判定。

瞬变电磁物探法：在31009回风巷迎头结合31009辅助进风巷迎头，分别在压裂前、压裂后采用瞬变电磁法对压裂区进行扫描，通过对比分析确定水力压裂影响范围。

钻探法：在31009辅助进风巷压裂孔穿煤位置和前方30m位置各打垂直于巷道中线的两组（两个）钻孔，在每个钻孔的15m、25m、30m、35m、40m、45m、50m位置取样，测试岩石含水率，对比附近区域的含水率参数，确定压裂液所达位置。通过以上两种方法的对比分析，本次水力压裂影响半径确定为45m～50m。

4.2 瓦斯抽采效果分析

为了进行水力压裂前后抽采效果对比分析，在实施双泵并联水力压裂前考察压裂孔以及两个辅助孔的瓦斯抽采流量以及瓦斯抽采浓度随时间的变化趋势，直到稳定为止。水力压裂后，采用同样的方法考察压裂孔以及两个辅助孔的瓦斯抽采流量以及瓦斯抽采浓度。压裂前后抽采情况对比表见表1。

通过对表1数据计算分析可知，压裂孔、辅助孔平均抽采纯量压裂后较压裂前，增幅分别达138倍、9.7倍、42.7倍，平均增幅达50倍。表明双泵并联水力压裂能够增大煤层透气性，提高瓦斯抽采效果明显。

结论

（1）双泵并联水力压裂后，3个试验孔的平均抽采纯量均大幅增加，平均增幅达到50倍，有利于提高瓦斯抽采率、减少抽采时间、缩短瓦斯治理周期、减少钻孔工程量。

（2）在相同条件下，双泵并联水力压裂施工方法可有效增加煤层透气性，大幅度提高煤层抽采效果。

（3）水力压裂范围检验判定可将瞬变电磁法和钻探法相结合，经检验判定本次试验水力压裂有效半径为40m～50m。

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