豫西“三软”煤层水力压裂增透技术研究-论文.pdf

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总第180期doi：10．3969／j．issn．1005—2798．2014．08．014豫西“三软"煤层水力压裂增透技术研究闫海丰，王恩营，汪师逵(1．郑煤集团公司张沟煤矿，河南新郑451191；2．河南理-y_大学资源环境学院，河南焦作454000)摘要：水力压裂卸压增透技术是提高单一、低渗、高突煤层煤巷掘进工作面瓦斯抽采效率、降低其突出危险性的有效方法之一。通过理论分析、数值计算、数理统计等方法，对豫西“三软”煤层水力压裂后瓦斯抽采浓度、流量、起裂压力和裂缝形态等进行了研究。结果表明：水力压裂技术具有较好的增透效果，裂缝形态及起裂压力受地应力控制，该研究在相似瓦斯地质条件的矿区有良好的推广应用价值。关键词：“三软”煤层；水力压裂；地应力：瓦斯抽采中图分类号：TD712．2文献标识码：B文章编号：1005—2798(2014)08—0031—03按照《防治煤与瓦斯突出规定》(2009)，区域防作面底板抽放巷于2011年9月开口施工，巷道净宽突措施有开采保护层和预抽煤层瓦斯两类。对单一4．0m．净高3．0m，净断面10．3m，锚喷支护，巷道煤层开采的矿井来说，主要采取预抽煤层瓦斯的方帮上开掘钻场．钻场间距30m。法。豫西矿区主要开采二煤层，大多矿井属单一在1号钻场中施工1号压裂孔，并于2013年煤层开采，而且煤层为全层构造煤，煤类达到Ⅳ～V1月17日8点班进行压裂，最高泵站压力19MPa，类，透气性极低，透气性系数一般在0．000472～向孔内注水3O．5t。该孔压裂10min后，在压裂钻0．0467m／(MPa·d)之间，属极难抽采煤层I1]。场以里15m处。巷道左上部出现了一道长约5m的常规的预抽瓦斯技术虽然能解决一定的问题，但抽裂缝，1号钻场以外15IT／处的1号卸压孔有水渗采效果不理想，抽采后突出危险性仍然很高。通过出。表明该孔周围裂隙发育，水流渗失较大，压裂效采取水力压裂卸压增透措施，煤层中的裂隙贯通，增果不好。鉴于上述原因，对1号压裂孔及卸压孔进加了其透气性．可以取得良好的抽采效果l2]。此行封堵．施工2号压裂孔。2号压裂孔于2月6日外，采用计算分析、现场考察等方法，可以对水力压8点班进行压裂，最高泵站压力19．5MPa，向孑L内注裂的起裂压力、裂缝形态及影响因素进行分析，找出水47t。该孔压裂70min后，在2号卸压孔内开始规律，为相似条件下的水力压裂试验提供依据。出现卸煤现象。此时21121底板抽放巷回风瓦斯探针对煤层水力压裂技术的特点，前人进行了大头数值由0．01％升高至0．14％．3号钻场施工的穿量研究。李国旗、叶青等系统地阐述了高瓦斯、低透层钻孔有个别孔口瓦斯浓度变化量达到30％以上。气性突出煤层水力压裂所需的注水压力、流量、注水实施水力压裂之后，在相邻的钻场施工抽采钻时间等技术参数以及煤体内在因素的影响]：徐幼孔，并对瓦斯抽采数据进行考察。由于3号钻场各平、林伯泉等利用RFPA2D—Flow软件模拟了水力钻孔在2月26日联网抽采至3月25日，瓦斯抽采压裂起裂、扩展和延伸过程，并提出了定向水力压裂浓度大多已降至30％以下．随决定4月1日在2号技术。解决了压裂过程中出现的卸压盲区问题¨4j。压裂孑L进行第二次压裂，以提高瓦斯抽采效果。文章以豫西郑州矿区大平煤矿为例，对矿井211212抽采效果考察工作面底抽巷水力压裂增透抽采技术进行了考察分析，分析结果对研究水力压裂参数有重要的指导意水力压裂效果的定量考察主要从瓦斯抽采浓义度、流量等方面进行。总体上抽采效果得到大幅度提高。1现场压裂试验1)抽采浓度对比。3号钻场钻孔瓦斯抽采浓大平煤矿21121工作面位于矿井东南部，大冶度一直较稳定，基本上在40％左右，而4号钻场瓦向斜的倾伏端，平均煤厚7．0m，煤层倾角22。，瓦斯斯浓度衰减很快，不到一个月即衰减到20％，3号钻含量11．69m。／t，属于严重突出危险煤层。21121工场抽采浓度基本是4号钻场的2倍左右，衰减周期收稿日期：2014434—10作者简介：闫海丰(1970一)，男，河南荥阳人，工程师，从事生产技术工作。31 2014年8月闰海丰等：豫西“三软”煤层水力压裂增透技术研究第23卷第8期也较4号钻场长。由公式(1)知：随着采深的增加，最大水平主应2)抽采流量对比。3号钻场D150mm孔板力与垂直应力的差距会变小，与上述学者的理论研瓦斯流量计在3个月的抽采时间内平均测定流量为究一致。当，>，时，0．0182H+2．2328>0．759m／rain，4号钻场在一个半月的抽采时间内0．027H，即H<255m时，有>>：，水力压裂平均流量为0．467m／min，3号钻场瓦斯流量较时产生水平裂缝；当>>时，有0．0216H+4号钻场提高了75％。6．7808>0．027H>0．0182H+2．2328．即：255m<以上特点表明，水力压裂的影响范围已经到离H<1255m时，水力压裂产生垂直裂缝：当压裂孔60m的3号钻场，4号钻场未在影响范围0．0216H+6．7808<0．027H，即H>1255m时，满内，可见水力压裂的压裂效果是不错的，压裂后瓦斯足of->>，水力压裂仍然产生垂直裂隙。综上抽采效率、抽采时间及抽采半径均有所提高。可知，一般情况下，在埋深较浅的矿井或工作面进行水力压裂时(小于250m)，主要产生水平裂缝，随着3理论分析埋深增加(大于250m)，将产生垂直裂缝。根据埋构造煤较原生结构煤的煤质松软，可塑性强，水深的不同确定裂缝的形态，可为矿井水力压裂设计力压裂形成的裂缝较短，且裂缝容易弥合，前期抽采提供指导。量大，后期抽采量降低较快l5]。考虑矿井的实际情根据大平煤矿钻孔资料：21121工作面埋深在况及抽采经验，在松软的构造煤中进行水力压裂，在500m左右，由公式(1)知：H=17．581MPa，^=抽采浓度降到30％以下时．可以进行重复压裂，以11．333MPa，=2．7×5=13．500MPa，满足>增加瓦斯抽采时间，提高瓦斯抽采效果。>，水力压裂时主要产生垂直裂隙，这与现场观3．1水力压裂裂缝形态分析察的裂缝形态基本吻合。水力压裂裂缝形态受控于地应力的大小和方3．2煤体起裂压力分析向。岩石力学研究表明E6]，地壳中任意一点受三个依据弹性力学有关理论[】卜]，煤体产生垂直裂方向的主应力共同作用，即垂向主应力(，)和两个缝的起裂压力公式是：相互垂直的水平主应力(、，设>，)。三个Pf=30-h—O"H—P孔隙+T(2)方向应力的大小直接影响着裂缝的延伸方向，裂缝(3)总是沿着阻力最小的方向延伸、发展，即平行于最大水平主应力的方向扩展、延伸。当>>或式中：p，为煤体起裂压力，MPa；最小水平应>>，时，会产生垂直裂缝；在>>力，MPa；为最大水平应力，MPa；。为垂直应力，时．产生水平裂缝。MPa；p晡为孑L隙压力，MPa，取该处的静液压力；根据文献[7]，通常情况下，当埋深小于1000m为孔隙弹性系数，无量纲，其值与煤体孔隙度成正时。水平应力为最大主应力，当埋深大于1000m比，这里取=0．5；T为煤体抗拉强度，MPa，大平矿时，垂直应力为最大主应力；康红普，林健，张晓等对为全层构造煤煤质松软，取T=lMPa；为煤体的潞安矿区井下地应力测量及分布规律做了一些研泊松比，取0．4。究，结果表明：当埋深小于500m时，水平应力为最将参数取值带人公式(2)和公式(3)，计算起裂大主应力．当埋深大于500m时，垂直应力为最大主压力理论值为14．418MPa。该数据比现场试验的应力[8：张延新、宋常胜、蔡美峰等对深孔水压致裂最高泵压小了5MPa，分析原因可能是压裂过程中地应力测量及应力场反演进行研究|9J．通过水压致的管路摩阻及重力摩阻造成的。裂过程中的压裂施工曲线，求得裂缝起裂压力、延伸因此，根据上述公式计算的起裂压力准确度较压力和重张压力，进而根据换算公式求得煤岩层所高，与现场试验的泵压也是基本相符的．可以据此计处的水平应力、o-及垂直应力、，；景锋、盛谦、张算煤体起裂压力，并为相似地质条件下特别是相似勇慧等通过收集中国大陆地区450多个钻孔的地应构造条件下的矿井提供理论指导。力实测资料，建立了我国垂直应力()、最大和最4结语小水平主应力(O-、)随埋深的分布关系_1：H=0．0216H+6．78081)根据豫西“三软”煤层水力压裂实际情况，h=0．0182H+2．2328当瓦斯浓度降至30％时，采取2次压裂的方法可以=0．027H(1)明显提高瓦斯抽采率。且相关系数均在0．9以上，可信度较高。2)水力压裂增透措施使得钻孑L瓦斯抽采浓32 2014年8月闰海丰等：豫西“三软”煤层水力压裂增透技术研究第23卷第8期度提高到1倍以上。抽采流量提高了75％以上，瓦2011，21(7)：104—109．斯抽采周期增长，抽采影响半径增大，瓦斯含量及瓦[5]王素玲，姜民政，刘合．基于损伤力学分析的水力压斯压力降低，达到了区域消突的目的。裂三维裂缝形态研究[J]．岩土力学，2011，32(7)：2205—2210．3)水力压裂的起裂压力及裂缝形态受控于[6]李民河，聂振荣，廖健，等．水力压裂缝延伸方向分垂直应力和水平应力的相对大小。并通过理论分析，析及其应用[J]．新疆地质，2003，21(4)：456—458．计算了大平煤矿煤层的起裂压力为14．4MPa．裂缝[7]丁健民，高莉青．地壳水平应力与垂直应力随深度的形态为垂直缝。结合现场试验情况，实际水力压裂变化[J]．地震，1981(2)：46～48．起裂压力在20MPa左右。[8]康红普，林健，张晓，等．潞安矿区井下地应力测量及分布规律研究[J]．岩土力学，2010，31(3)：827—参考文献：831．[1]翟华，张建甫，王恩营．豫西“三软”不稳定厚煤层煤[9]张延新，宋常胜，蔡美峰，等．深孔水压致裂地应力测与瓦斯突出快速判识技术[M]．徐州：中国矿业大学量及应力场反演[J]．岩石力学与工程学报，2010，出版社．2012．29(4)：778—785．[2]王念红，任培良．单一低透气性煤层水力压裂技术增[10]景锋，盛谦，张勇慧，等．中国大陆浅层地壳实测透效果考察分析[J]．煤矿安全，2011，42(2)：109—地应力分布规律研究[J]．岩石力学与工程学报，112．2007，26(10)：2056—2062．[3]李国旗，叶青，李建新，等．煤层水力压裂合理参数[11]杨桂通．弹性力学[M]．北京：高等教育出版社，1998．分析与工程实践[J]．中国安全科学学报，2010，[12]樊洪海．适于检测砂泥岩地层孔隙压力的综合解释20(12)：73—77．方法[J]．石油勘探与开发，2002，29(1)：90—93．[4]徐幼平，林柏泉，翟成，等．定向水力压裂裂隙扩展动态特征分析及其应用[J]．中国安全科学学报，责任编辑：路方1(上接第19页)作风桥的成熟工艺流程，并在王庄煤矿进行了全面推广应用，该套风桥制作技术既保证了风桥的工程质量，减少了风桥漏风，同时确保了井下通风系统在胶轮车大巷l动态掘进过程中的稳定性，全面提升了矿井通风系540／2号胶带巷统的可靠性。胶轮车大巷2回风大巷2＼醢工焦置巷图3风桥施工位置3．2．2砌墙、制作假顶在下部巷道使用料石或其他材料在开帮位置砌墙，作为风桥的支撑柱。根据巷道实际情况，选择合适长度的工字钢或其他材料搭接在巷道墙体上作为风桥支撑梁，在工字钢梁上搭设水泥背板、风简布和煤袋等进行充填。3．2．3掘进过立交方法1)回风大巷2在距离立交点10m时，在下部巷道立交点搭设木垛，木垛接顶。缓解掘进机过立交期间风桥压力。2)上部巷道掘进机过立交点20m后．在上部巷道进行硬化，增加风桥强度，确保风桥严密不漏风。图4风桥施工示意4结语[责任编辑：路方]经过近几年的探索，成功摸索出了一套提前制33