赵新杰ZHAO Xin-jie曰敬复兴JING Fu-xing
（焦煤能源公司中马村矿，焦作454171）
摘要院为了消除中马村矿二1 煤的突出危险性，实现大循环进尺，国内首次利用原有的“千米钻孔”进行水力压裂增透试验，试验结果表明，通过实施水力压裂增透，可以显著提高瓦斯流量和抽采浓度，对煤巷的安全掘进起到了积极的作用。
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关键词 院煤与瓦斯突出；虚拟储层；水力压裂；千米钻孔
中图分类号院TE357 文献标识码院A 文章编号院1006-4311（2015）27-0099-03
0 引言
瓦斯灾害是制约高突矿井安全、高效生产的第一因素，现行的瓦斯治理措施成本较高，效果较差，高突矿井迫切需要一种新型区域和局部治理工艺，以彻底改变目前消突困难、接替紧张的局面。水力压裂正是为了满足这一生产需求而诞生的一种集区域和局部瓦斯治理为一体的一种新工艺。该工艺是将地面煤层气开发的一种成熟技术移植到井下，根据煤体结构的不同采用不同的压裂方案，达到增透、提高抽采效率、缩短抽采时间的目的，本文阐述了中马村矿利用原澳大利亚千米钻机已施工的深钻孔进行水力压裂，提高消突效果的瓦斯治理技术。
1 概况
中马村矿27021 工作面位于27 采区西翼上部，北为东大巷，南邻27041 工作面采空区，西界为25 采区，东临27 轨道上车场。煤层产状为N46耀58毅E/SE蚁12耀150，呈单斜构造。该地区煤层厚度为0.7耀6.3m，变化较大，局部有煤层分叉现象；煤层倾角12毅耀14毅；煤层硬度f 值大多在0.3以下，透气性较差，富含构造煤。
千米钻机施工钻场位于17 采区下部27 采区上部，17 采区大部处于一大背斜及其转折处，瓦斯运移出口相对较小，阻力较大，富含高压瓦斯，瓦斯含量20m3/t耀25m3/t，瓦斯压力1.3MPa；设计钻孔位于两个薄煤带间，地层多受牵引、拉伸、挤压，地应力集中区较多。设计钻孔位于主煤层和薄煤层之间，顶底板岩性大多为泥岩、粉砂岩、页岩，围岩致密，不利于煤层瓦斯逸散。
2 水力压裂消突技术
2.1 水力压裂消突机理
水力压裂防突技术是穿层钻孔在岩柱的掩护下，使用高压水射流冲击钻孔周围的煤体，形成裂隙通道，大幅度增加孔洞周围煤体的透气性，另一方面可以湿润煤体，减小煤体的脆性，增加其可塑性，降低煤体内部的应力集中，增加防止煤和瓦斯突出的能力，有效地提高了抽放效果，起到综合防突的作用[1-4]。
2.2 千米钻机长钻孔水力压裂思路
2.2.1 千米钻机长钻孔概况中马村矿在27021 回风巷已采用威利朗沃工程有限公司生产的VLD 系列EXP-23型钻机在27021 回风巷设计巷道中线，施工分支孔进行抽采，分支孔主孔方位230毅，主孔深411m，分支孔累计施工783m。共施工分支孔11 个，钻孔见煤长度累计110m。
该孔抽采3 个月后，分支孔抽采流量、浓度降低，因此，决定采用水力压裂技术进行增透，以期提高煤层卸压效果及抽采效率。
2.2.2 压裂思路
由于千米钻机施工的钻孔主孔与分支孔长度之和1000m 有余，并且煤、岩合层，存在压裂易破点多、水滤失量大等问题，但考虑到现行压裂设备流量较小等因素，难以在短时间内完成该孔压裂。因此，需要再重复压裂。
在长钻孔主孔口进行封孔，然后实施压裂，一次压裂整个钻孔（主孔和分支孔），之后考察压裂效果，如果效果不好可再次实施压裂，在允许时间内取得较好效果为止。
3 压裂方案实施
3.1 压裂钻孔封孔
由于在千米钻机主孔施工过程中，孔口以里38m，为稳定的粉砂岩，38m~42m 之间为岩石破碎带，42m~50m 之间为穿煤段，50m 以里为稳定的砂岩，因此，本次封孔长度最小为55m，最佳封孔长度为60m。由于目前钻孔孔径为90mm，并且为方便抽采，用椎100mm 钻头从孔口扩孔至孔内3m 长度，之后用钢管固孔并连管抽采。此次封孔，封孔管内径为50mm，封孔长度为55m，单根封孔管长度为2m。需抗压强度不小于30MPa。封孔示意图如图1-2。
3.2 压裂施工过程
3.2.1 首次压裂冲孔过程
10：30 所有人员撤离到指定位置，开始压裂冲孔。
10：40 主泵启动，开始冲孔。
10：50 主泵挂4 档冲孔。
12：19 停泵结束。
冲孔时长共99 分钟，压裂过程中，主泵最大压力14.21875MPa， 最大排量70.678123m3/h， 共注入水量82.80m3。
停泵作业后，到钻场进行观察，ZM27021M01 孔压裂前孔口瓦斯浓度几乎为0，压裂后浓度22%。
3.2.2 ZM27021M02 孔压裂第二阶段第一次过程
13：50 主泵启动，开始压裂。
13：54 主泵挂4 档压裂。
16：15 由于供水不足（只有22m3/h），停泵结束。
此阶段压裂时长共145 分钟，压裂过程中，主泵最大压力14.713867MPa，最大排量80.5625m3/h，共注入水量149.41m3。
3.2.3 ZM27021M02 孔压裂第二阶段第二次过程对管路进行检修后，进行第二次压裂，但由于供水泵被关，排量仍旧较低。
16：55 主泵启动，开始压裂。
16：57 主泵挂4 档压裂。
17：41 停泵结束。
此阶段压裂时长共46 分钟，压裂过程中，主泵最大压力14.523438MPa，最大排量22.46875m3/h，共注入水量18.40m3。总注水量250.61m3，压裂结束后，对巷道进行观测，有几处渗水量变大，但对巷道影响不大，巷道内瓦斯浓度没明显变化，压裂孔空口瓦斯浓度变大。
压裂完成之后对钻孔进行了放水作业，并带抽。实测抽采浓度最高22%，最低4%，平均为9.5~10.5%，流量在0.056~0.095m3/min 之间。
4 压裂效果
4.1 压裂影响范围确定
为了检测压裂效果，在本次压裂前后，分别应用大地电位场岩性探测法（简称：CYT）进行了测试，结果如下：煤层异常范围异常范围（如图3 所示）分布不规律，总体呈“S”状分布，其中E 线及F 线靠近压裂孔处存在无异常反应或异常反应较弱现象，因此，未列入压裂异常范围。煤层异常范围最宽处在B、C 两线处，两侧宽度在90~100m左右；最窄处位于E 线，宽度在20m 左右。
4.2 压裂后抽采参数
由于压裂前，瓦斯抽采流量和浓度已为零，瓦斯自然流量、压裂等数测试意义已不大，因此封孔完成后待水泥砂浆凝固之后即进行了水力压裂。
5 月31 日进行水力压裂后，6 月1 日开始放水，6 月2日开始联负压管进行抽采，连续9 天的抽采数据如表1。
在压裂后开始联抽的前十天，由于钻孔中水量较大，每20~30 分钟，水箱需要放水一次，导致抽采效果不很稳定，但仍能明显看出随着抽采的连续进行，瓦斯的抽采量呈逐日增加趋势。联抽十天后，随着钻孔中水的大量排出，抽采负压调整至80kPa 以上后，负压在钻孔中传递的范围更大，瓦斯日抽采纯量能够稳定的900~1000m3/d 左右，首次压裂后连续9 天的累积抽采量为5340.8m3，二次压裂后连续12 天累积抽采量为6957.1m3， 合计抽采量为12297.9m3，压裂增产效果明显。
5 结论
淤通过不断的摸索总结，认为在压裂水如果不及时排出孔外，则会大量侵入煤体内部，使瓦斯压裂梯度变大，阻碍了煤层瓦斯由吸附向游离的转换，影响了抽采瓦斯。同时，由于大量水长时间的浸泡，可能会使已有的裂缝在水的作用之下垮塌，堵塞了瓦斯运移的“快速通道”，因此，排水方式的选择应坚持快速排水，最大量排出钻孔中的煤岩粉，可以取得较好的抽采效果。
于对于单一煤层，无法实现保护层开采或无法施工底抽巷的矿井，底板虚拟储层顺层长钻孔压裂技术研究开辟了区域治理的新途径，为掘进头深孔压裂增透实现大循环进尺奠定了基础。
盂井下虚拟储层长钻孔水力压裂使煤层透气性增大，抽采效率大为提高，缩短了抽采时间，节约了成本，为工作面的采掘接替争取了宝贵时间。
榆井下虚拟储层长钻孔水力压裂技术在中马村矿的研究实践，促进了27021 回风巷下分叉煤快速消突，使27021 回风底抽巷掘进过程中安全揭露下分叉煤，并沿下分叉煤安全掘进280m 与27021 回风底抽巷西段贯通,目前27021 回风巷上分层煤已顺利掘进520m。
