刘星
淮南煤矿勘察设计院，安徽淮南 232000
摘要：两淮矿区煤层的特点为瓦斯含量高、透气性差、煤质松软硬度系数低，瓦斯抽采的难度很高，改善煤层透气性成为提高瓦斯治理效率的重要手段。通过开展中厚煤层顺层钻孔水力压裂增透技术的研究，制定水力压裂方案，开展水力压裂钻孔设计以及注水压力、注水量和保压时间等工艺参数试验，配合瞬变电磁法考察有效压裂半径，以及对比压裂区和未压裂区顺层钻孔抽采效果，煤层透气性系数提高1倍以上，抽采纯量提高了65.7%，取得了良好的效果。
关键词：水力压裂 压裂半径 瞬变电磁
1.概述
顾桥矿1613（1）工作面位于南三11-2采区，为南三采区首采面。工作面可采长度1525m，面长240m，平均煤厚2.9m，工作面上限标高-600～-700m，煤层倾角1～4°，处于无突出危险区。实测该区域最大原始瓦斯压力0.58Mpa，最大原始瓦斯含量5.5m3/t。
为提高煤层透气性，解决顺层钻孔抽采效果差的问题，在1613（1）工作面轨顺开展中厚煤层顺层钻孔水力压裂增透技术研究及应用。
2.水力压裂作用机理
原生煤层内部具有很多微裂隙、多孔隙结构，瓦斯在煤体内以游离态或吸附态两种状态存在，对于裂隙比较发育，煤体坚固系数较大的煤层透气性系数较大，便于瓦斯抽放，而对于煤质比较松软，裂隙发育不发达的煤层透气性系数较低，不便于瓦斯抽放，抽放效果差。
采用水力压裂方法，通过压裂钻孔向煤层注入高压水，在高压水力作用下使煤体深部原生裂隙扩张、延伸、空隙增大，从而提高煤层的透气性系数，使得原生裂隙相互沟通，在水力作用下，吸附状态的瓦斯从煤层表面逐渐剥离变成游离态的瓦斯，提高了瓦斯在煤体内部的流动性，从而提高瓦斯抽放效果。
裂缝起裂受诸多因素的控制，裂缝起裂效果主要取决于时间效应和压力效应。当流体以大于地层滤失速率的排量和破裂压力注入使煤层内部组织不断受到破坏，煤层原生裂隙扩大，达到提高煤层透气性能的效果，从而提高瓦斯抽放率。
3.水力压裂的目标
提高煤层透气性系数，缩短抽采达标时间；减少钻孔施工量。根据水力压裂效果考察结果，减少钻孔总量；湿润煤体，避免回采落煤期间粉尘扬起，改善劳动条件。
4.实施方案
将1613（1）轨顺分为压裂区和未压裂区来进行压裂效果、压裂半径的对比考察，压裂区压裂钻孔间距50～100m，未压裂区顺层抽采钻孔提前施工完毕，未进行压裂。压裂钻孔设计孔深120m，孔径113mm。
顺层钻孔水力压裂关键之一在于封孔技术，为提高封孔效果，采用“三堵两注”囊袋封孔工艺，封孔深度为30m。囊袋使用特效水泥，注浆压力不低于2Mpa，中间注浆段采用普通水泥，注浆压力不低于6Mpa，确保封孔严密。
封孔结束待水泥凝固后使用压裂泵注水压裂，采取分次间歇压裂方式，每次间隔时间不少于8小时。压裂后孔内进行保压，注入压力与地应力恢复平衡，注入水分不断扩散，驱替瓦斯，一般保压时间7天，当孔内压力降低至瓦斯压力或接近瓦斯压力时，停止保压。
打开孔口闸阀排水后，开始施工检验钻孔，并取钻孔煤样进行煤层瓦斯含量、瓦斯压力、含水率测定，确定有效压裂半径并采用瞬变电磁法进行验证。
当测压钻孔的瓦斯压力稳定于最高值后，取下压力表卸除瓦斯压力，开始排放瓦斯，并测定钻孔瓦斯流量，而后按一定步骤计算煤层透气性系数。
最后施工顺层抽采钻孔并进行抽采效果考察。
5.实施情况
5.1压裂情况
累计施工水力压裂钻孔6个，注水总量425t。1#压裂孔注水22.3t，2#压裂孔注水102.7t，3#压裂孔注水71t，4#压裂孔注水100t，5#压裂孔注水51t，6#压裂孔注水78t。
5.2压裂半径
11-2煤的原始含水率约为2.3%，通过测定压裂后煤层含水率的变化情况来考察有效压裂半径。在距压裂钻孔平距5m、10m、15m、20m、25m、30m处分别施工检验钻孔，测定煤样含水率。
按含水率4%标准初步确定压裂有效半径为25m。再通过瞬变电磁法对压裂钻孔进行验证：
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根据瞬变电磁探测顺层方向结果显示：1#压裂孔左侧倾向方向10～65m范围有一相对低阻富水区，走向范围左侧0～18m范围、右侧0～7m范围有一相对低阻富水区；2#压裂孔左右两侧倾向方向10～80m范围有一相对低阻富水区，走向范围左侧0～30m范围、右侧0～15m范围有一相对低阻富水区，沿钻孔钻进方向远端未发现有明显相对低阻富水区及导水通道。
可见瞬变电磁结果与煤层含水率测定结果基本吻合，顺层压裂钻孔倾向影响范围为80m，走向有效半径为25m。
5.3煤层透气性系数
通过钻孔径向法来计算煤层透气性系数，即压裂钻孔在水力压裂前进行原始瓦斯压力的测定，当压力稳定于最高值后，取下压力表卸除瓦斯压力，开始排放瓦斯，并测定钻孔瓦斯流量，而后按一定步骤计算煤层透气性系数。然后采用同样的方法测定压裂后的煤层透气性系数。测定结果见表3
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可见通过顺层钻孔水力压裂增透，煤层透气性系数提高15倍以上。
5.4抽采效果考察情况
将压裂区域和未压裂区域钻孔分开计量，统计共计60天的抽采数据，可以看出压裂区域单元抽采效果显著提高。
压裂区域共计合茬抽采钻孔42个，单元平均浓度25%，抽采纯量0.53m3/min，平均百孔抽采纯量1.26 m3/min；未压裂区域共计合茬抽采钻孔144个，单元平均浓度10%，抽采纯量0.7m3/min，平均百孔抽采纯量0.49 m3/min。压裂后百孔抽采纯量提高了180%。
6.结论
通过中厚煤层顺层钻孔水力压裂增透，大大提高了抽采效果，后期钻孔施工工程量减少了50%，节约了打钻费用，提高了瓦斯治理效率，工作面回采期间未发生一起瓦斯事故。
参考文献：
【1】孙炳兴，水力压裂增透技术在瓦斯抽采中的应用，《煤炭科学技术》?
【2】袁亮，我国煤矿水力化技术瓦斯治理研究进展及发展方向，《煤炭科学技术》?