2022年煤矿井下钻孔高压水力压裂技术研究与应用研究报告 .pdf

煤矿井下钻孔高压压裂技术研究与应用研究报告* 股份 * 2010 年 10 月 15 日精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 18 页研 究 报 告一、概况*煤与瓦斯突出进行有效的防治， 我们进行了水力压裂技术在煤矿突出煤层中的研究与应用这一课题。对防治煤与瓦斯突出、保障煤矿安全生产具有重要现实意义。二、突出煤层区域性消除突出的意义瓦斯事故是制约集团公司安全状况好转的最主要因素。瓦斯事故对矿井安全的威胁主要有瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、瓦斯窒息等三种形式，其中瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出给煤炭矿山企业带来的危害极大，它严重威胁着井下人员的生命和矿井设施的安全，并迫使矿井停产，投入大量的人力物力进行抢险救灾。结合国家煤矿安全生产监察局提出的“先抽后采，监测监控，以风定产”的十二字安全生产方针，集团公司致力于建立防范瓦斯长期有效机制，因此，不把瓦斯事故控制住，就不能实现安全生产状况的稳定好转，也无法保障矿井的持续健康发展, 而防治煤与瓦斯突出最根本的技术措施就是精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 18 页矿井瓦斯抽放。 * 目前的矿井抽放率较低，其中一个主要原因为开采的煤层属低透气煤层 , 再加上随着进入煤层深层开采，瓦斯的抽放难度大。长期以来，如何提高煤层的瓦斯抽放率，从而消除煤与瓦斯突出危险性一直是瓦斯抽放工作中亟待解决的技术难题。因此，必须研究出一种能有效地一次性使开采煤层形成贯通裂隙网，进行一次性瓦斯抽放的技术方法。近些年来，由于水力压裂、松动爆破、水力割缝等技术措施在煤矿井下的不断尝试和应用，特别是水力压裂技术的不断发展和完善，使该技术措施在防治煤与瓦斯突出、瓦斯抽放、煤体注水等方面得到了广泛应用，并取得了良好效果。 * 随着产量增加和水平延伸，煤层瓦斯含量，突出危险程度增大，常规的瓦斯预抽技术， 抽放率低，不能满足矿井部署和高效建设的需要，出现预抽超前距和超前时间不够，掘进和回采时瓦斯超限和防突测试超标时有发生，制约了生产的连续性，威胁了矿井安全。为了缩短抽放时间，提高抽放率，消除瓦斯超限和突出威胁，加快矿井高产高效建设步伐，特此提出在突出煤层穿层水力压裂区域性消除工作面突出危险性的研究与应用。三、煤矿井下钻孔高压压裂技术在突出煤层中的研究与应用（一）研究的主要思路* 煤与瓦斯突出煤层普遍存在瓦斯含量高、透气性低、钻孔深度浅、抽采效果不理想的问题，掘进及回采期间瓦斯大量涌出制约了安全生产。目前部分工作面不具备开采保护层的条件，则预抽煤层瓦斯即成为目前无保护层开采矿井首要的区域治理措施， 另外中远保护层开采期间被保护层瓦斯抽采也是必须大力开展的重要工程。要从根本上解决突出煤层瓦斯问题，必须对突出煤层实施层内卸压增透来解决透气性低的问题，而层内卸压增透是无保护层措施下采取的主要措施。在目前钻孔技术还没有较大突破的条件下，采精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 18 页取人为的增加煤层裂隙将大大提高煤层的透气性。但已采取的超前钻孔、深孔注水、水力冲孔、水力割缝、深孔松动爆破和深孔控制爆破、回采工作面顺层钻孔抽放等防突技术措施，普遍存在着整体卸压不够充分、抽放空白带较大、施工工序复杂等问题，并且有一定的局限性。煤矿井下钻孔高压压裂技术是把水作为动力，在煤层中形成人工的空腔、槽缝和裂隙或扩大已有的裂缝以及使煤体发生位移。经压裂后的煤层，其内部能出现众多且延伸很远的裂缝，使得在抽气时钻孔周围出现大面积的压力下降，煤层受降压影响解析出来的气体能够通过压裂形成的裂隙运移至钻孔中， 保证了煤层气能迅速并相对持久地泄放，抽出量较压裂前可增加数十倍，从而起到卸压和排放瓦斯的作用，最终达到防治突出的效果。（二）煤矿井下钻孔高压压裂技术方案1. 压裂设备与仪表注水系统由注水泵、水箱、压力表、专用封孔器等组成（见图1） 。注水泵选用额定压力为31.5Mpa、额定流量为 400L的 BRW400/31.5型煤矿用乳化液泵。为便于操作和控制，注水泵安装有压力表、水表及卸压阀门等附件，水箱容积3m3 。压力表采用YHY60(B)矿用本安型数字压力计和FCH32/0.2 矿用本安型手持采集器。高压管路选用1 寸高压胶管。钻孔内采用优质无缝钢管，采用快速接头与封孔器和高压胶管相连接。无缝钢管外径38mm ，内径 27mm ，壁厚 5.5mm ，每节长 3m 。钢管压裂段开孔，孔密10 孔/ 米，钢管底部丝堵封口并开孔。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 18 页水管连接管压力表水表卸压阀水 箱注水泵高压管线专用封孔器图 1 注水系统布置示意图2. 封孔器及其参数钻孔封孔器选用专用封孔器，封孔器封孔长度20m ，封孔深度为 2535m 。该封孔器由封孔胶囊、连接杆、出水嘴和注水头四部分组成，如图2 所示。封孔器抗压强度不低于35MPa ，外径 55mm ，具有一定的内径以保证足够的流量，长度大于 10m ，加压扩张系数 40% 。注水头连接杆胶囊出水嘴煤层图 2 专用水力自动封孔煤层注水器结构示意图3. 压裂原理高压水作用于煤体是一个逐渐湿润煤体、压裂破碎煤体的过程。在注水的前期，注水压力和注水流量呈线性升高；随后，注水压力与流量反向变化，并呈波浪状。这直观反映出了在注水初期，具有一定压力和流速的压力水通过钻孔进入煤体裂隙， 克服裂隙阻力运动； 随后，当压裂液充满现有裂隙后，水流动受到阻碍， 由于煤体渗透性较低， 水流量降低，压力增高而积蓄势能；当积蓄的势能足以破裂煤体形成新的裂隙时，势能转化为动能，压力降低，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 18 页水流速增加；当压力水携带煤泥堵塞裂隙时，煤体渗透性降低，水难以流动使流量下降，压力上升。4. 注水压力注水压力是所有水力化措施中的重要参数。若注水压力过低，不能压裂煤体，煤层结构不会发生明显的变化，相当于低压注水湿润措施，短时间内注水起不到卸压防突的作用；若注水压力过高，导致煤体在地应力和水压综合作用下迅速变形，形成突出。因此，合理的注水压力应该能够快速、有效破裂松动煤体，进而改变煤体孔隙和裂隙的容积及煤体结构，排放煤体瓦斯，达到消突的目的。水力压裂措施最高注水压力和最终注水压力应在式（1）和式（ 2）的基础上进行选择。最高注水压力： Pm 0.075H+Pc (1) 最终注水压力： Pk3+Pc (2) 式中 Pm最高注水压力， MPa ；上覆岩层的平均容重，t/m3；H煤层埋深， m ；Pc注水管路的压力损失，MPa ；Pk最终注水压力， MPa 。根据试验工作面钻孔柱状图的统计资料，用加权平均法计算出煤体上覆岩层的平均容重，计算方法如下式：Hn1iiih (3) 式中i上覆岩层分层容重，t/m3；ih上覆岩层分层层厚度，m 。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 18 页式（1）中煤层埋深取工作面实际埋深，将各分层容重及厚度代入式中，计算平均容重，由此计算的垂直应力。 取管路损失压力 Pc 为泵站压力的 10% 。原则上，压力最高值不能超过工作面前方煤体应力集中带内的峰值应力(H的 23 倍) ，起始压力初步设定为15 Mpa，逐步加压。5. 压裂时间控制压裂时间与注水压力、注水量等参数密切相关，注水压力、流速不同，相同条件下达到同样效果的注水时间也不同。注水过程中，煤体被逐渐压裂破坏，各种孔裂隙不断沟通，高压水在已沟通的裂隙间流动，注水压力及注水流量等参数不断发生着变化， 注水时间可根据注水过程中压力及流量的变化来确定。根据以往的地面水力压裂和井下水力挤出试验经验，当注水泵压降低为峰值压力的30% 左右，可以作为注水结束时间。压裂时采用动压，从开始注水到水力压裂措施结束大约需要120min时间。起始压力初步设定为15MPa ，每 5min 升压 2 Mpa，泵压达到 29 Mpa 左右。若稳定一段时间后，压力迅速下降，并持续加压时压力无明显上升，或者检验孔附近瓦斯浓度明显升高或有水涌出时，即说明压裂孔和检验孔之间已经完成压裂，此时即可停泵，关闭卸压阀，压裂程序结束。压裂措施实施过程中，需连续记录注水压力和流量，根据现场实际情况，适时调整压裂参数。6. 水力压裂增透抽采瓦斯工艺煤矿井下钻孔水力压裂增透抽采瓦斯工艺，依次包括以下步骤：（）选取压裂地点；（）根据观察煤体类型、巷道布置和构造发育程度来确定压力类型，可采用顶底板顺层钻孔水力压裂、顶底板穿层钻孔水力压裂、本煤层顺层钻孔水力压裂或本煤层穿层钻孔水力压裂；（）确定钻孔参数施工钻孔，钻孔参数包括孔长、开孔高度、孔径、倾角、方位角；（）设计水精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 18 页力压裂，包括注入水量和注入压力； （）洗孔；（）排水；（）检验压裂效果，如符合要求向下进行，如不符合要求转向步骤（）； （）进入管路进行抽放。该技术项目增强煤层透气性、减少采掘工作面瓦斯涌出量，显著提升单孔抽采能力和抽采效果。提高抽放效率、缩短抽放时间、最大限度消除瓦斯灾害。四、突出煤层区域性消突技术方案（一）高抽巷技术实施方案有下列情况之一的，不具备开采保护层的突出危险采掘工作面，必须先做高抽巷；1. 埋藏深度大于 700m以上的工作面；2. 瓦斯含量在 20m3/t 以上，瓦斯压力在1.8MPa以上的工作面。（三）高抽巷布置方式1. 在突出煤层采煤工作面风巷布置一条内错高抽巷，内错高抽巷与突出煤层顶板垂距 810m ，高抽巷与风巷内错中对中距离为1015m ；2. 在突出煤层采煤工作面机巷布置一条外错高抽巷，外错高抽巷与突出煤层顶板垂距 810m ，高抽巷与机巷外错中对中距离为1520m ；3. 高抽巷原则上是布置在戊8煤层中或己14煤层中。工作面机巷外错高抽巷可同时做为该区段下一个工作面的风巷内错高抽巷。五、高抽巷穿层水力压裂钻孔及抽放钻孔技术方案（一）从高位掩护巷沿煤层顶板施工注水预裂钻孔，每15m布置一个，钻孔终孔位置位于采面空白带，同时在注水预裂孔两侧各布置一个卸压抽放孔，抽放孔终孔位置距注水孔终孔位置15m （钻孔布置见图 4-1、4.2 ） ；精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 18 页图 4-1 戊9-1012160高抽巷穿层卸压注水钻孔布置剖面图图 4-2 戊9-1012160高抽巷穿层卸压注水钻孔布置平面图（二）注水及抽放钻孔设计孔径75mm ，卸压注水孔角度及长度由地测队提供，钻孔终孔位置要穿过煤层；（三）注水钻孔施工完毕后使用膨胀水泥和聚氨脂进行封孔，封孔深度不低于 30m ；采用高压注水泵向钻孔进行压裂液，压力不得小于30MPa ，通过注水使煤层中形成压裂卸压，湿润煤体，从而降低煤层突出危险性；（四）注水钻孔必须在其两侧的卸压钻孔施工到位后方可开始注水，确保能够正常卸压；（五）卸压注水钻孔和抽放钻孔施工完毕后进行联网抽放。六、区域性消突技术实施后取得的效果精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 18 页（一）对被掩护巷高压水力压裂后，防突钻孔打钻时工作面无喷孔、夹钻、顶钻、响煤炮等突出预兆。（二）被掩护巷正常掘进期间，回风流瓦斯与工作面压裂前回风流瓦斯对比下降 0.2%左右。（三）压裂前平均每月测试超标5 次左右，压裂后杜绝了测试超标现象。（四）压裂前被掩护巷平均每月单进2530米之间，压裂后每月单进提高到 5560米之间，大大提高了每月单进量。（五）注水前煤体含水率为3.2 ，注水后煤体含水率为3.5 ，提高了 0.3 个百分点。（六）压裂前工作面需执行4 排 56 个措施孔来保障安全施工，每个执行措施循环要 56 个小班才能完成； 压裂后工作面可以执行3 排 42 个措施孔，只需 23 个小班就能完成，大大缩短了执行措施循环时间，为工作面进尺争取了时间。（七）掩护巷干管瓦斯抽放浓度注水前为15，注水后为30，提高了 15 个百分点。七、突出煤层区域性消突技术标准研究主要结论及创新点（一）突出煤层必须实施高抽巷，建立高抽巷的技术标准1. 在突出煤层采煤工作面风巷布置一条内错高抽巷，内错高抽巷与突出煤层顶板垂距 810m ，高抽巷与风巷内错中对中距离为1015m ；2. 在突出煤层采煤工作面机巷布置一条外错高抽巷，外错高抽巷与突出煤层顶板垂距 810m ，高抽巷与机巷外错中对中距离为1520m ；（二）研究了高位巷水力压裂钻孔和抽放钻孔的技术标准；1. 高抽巷每 30m施工一个水力压裂钻孔， 每两个水力压裂钻孔之间布置精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 18 页一个泄压抽放钻孔，钻孔终孔位置控制到被掩护巷道中心线位置。2. 压裂钻孔及抽放钻孔设计钻孔终孔位置要穿过被掩护煤层不低于6米；3. 水力压裂孔布孔方式可根据煤层变化和压裂效果进行调整。4. 水力压裂钻孔孔径不得小于89mm, 以便于下管注浆封孔；5. 封孔深度要求全岩段封孔；（三）探索出穿层水力压裂的各项技术标准；1. 注水压裂的横向影响范围为30 米左右；2. 注水压力以 25Mpa30Mpa 为宜；3. 注水时间一般要 34 小时为宜，以卸压或不进水为准；4. 注水孔前后 5 米范围内的其它孔必须封孔， 注水孔终孔位置和抽放孔不能在同一轴线上，否则易卸压。5. 预留安全煤柱距离为确保被掩护巷工作面前方水力压裂时的安全，水力压裂孔距工作面必须预留不低于 30 米的安全煤柱做保护。（四）制定出突出煤层穿层松爆区域性消突技术参数标准。突出煤层在采取穿层松爆抽放后，达到一定预抽效果后， 进行区域措施效果检验。其效果检验技术参数标准如下：测定预抽区域内残存瓦斯压力或残存瓦斯含量：1. 当残存瓦斯压力（ P）0.74MPa 或残存瓦斯含量（ W ）8m3/t时，为无突出危险区，采取安全防护措施后进行采掘作业。2. 当残存瓦斯压力 0.74MPa或残存瓦斯含量 8m3/t时，需要对瓦斯放散初速度 p，煤的坚固性系数f 和水分含量进行测定，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 18 页当p10，f 0.5 和水分含量 3.5 时，确定为无突出危险，采取安全防护措施后进行采掘作业。当p10 或 f 0.5 或水分含量 3.5 时，确定为突出危险，必须补充局部综合防突措施后经效果检验无突出危险和采取安全防护措施后进行采掘作业。见下表：区域突出危险性效果检验的临界值一览表瓦斯压力P（MPa ）瓦斯含量W （m3/t ）瓦斯放散初速度p 煤的坚固性系数 f 水分含量区域类别采取措施0.74 无突出危险安全防护措施8 无突出危险安全防护措施0.74 10 0.5 3.5 无突出危险安全防护措施8 10 0.5 3.5 无突出危险安全防护措施0.74 10 0.5 3.5 突出危险补充局部综合防突措施0.74 10 0.5 3.5 突出危险补充局部综合防突措施0.74 10 0.5 3.5 突出危险补充局部综合防突措施8 10 0.5 3.5 突出危险补充局部综合防突措施8 10 0.5 3.5 突出危险补充局部综合防突措施8 10 0.5 3.5 突出危险补充局部综合防突措施精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 18 页煤矿井下钻孔高压压裂技术研究与应用工业性试验报告* 股份 * 2010 年 10 月 15 日精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 18 页工业性试验报告根据集 团 公司 的要求“不具备保护层开采条件的煤与瓦斯突出煤层，突出区域必须采用煤层顶（底）板巷道、穿层钻孔抽采等措施治理瓦斯”。针对* 瓦斯地质条件，采用高位预抽巷预裂卸压抽放技术解决突出煤层掘进期间的瓦斯问题，为此特制订突出水力压裂技术在突出煤层中的研究与应用。该项目的目的就是为了解决以上问题，实现安全快速掘进，提高劳动生产率。 项目在* 二水平己 15-22040 机巷进行实验应用， 不仅解决了高位预抽巷预裂卸压抽放技术难题，同时也解决了突出煤层掘进期间的瓦斯问题，有效遏制了煤与瓦斯突出事故，确保了安全生产，保障作业人员的生命安全，实现安全快速掘进，提高劳动生产率。项目立项研究到如今， 已在* 己 1522040采面、戊 9-1012160采面、己 15-13330 机巷和戊 8-21030 机巷等突出危险工作面中进行试验应用，同时也得到各施工单位的大力支持与配合，形成了分工明确，操作合理、奖罚分明的工作机制，施工单位普遍反映该项目劳动时间和劳动效率得到提高。通过实现区域性消突技术标准有效地控制了掩护巷煤与瓦斯突出事故的发生，从总体看，该项目试验性应用很成功，下面是实现区域性消突技术标准试验前后情况分析：一、对被掩护巷高压水力压裂后，防突钻孔打钻时工作面无喷孔、夹钻、顶钻、响煤炮等突出预兆。二、被掩护巷正常掘进期间，回风流瓦斯与工作面压裂前回风流瓦斯对比下降 0.2%左右。三、压裂前平均每月测试超标5 次左右，压裂后杜绝了测试超标现象。四、压裂前被掩护巷平均每月单进2530 米之间，压裂后每月单进提高到 5560米之间，大大提高了每月单进量。五、注水前煤体含水率为3.2，注水后煤体含水率为3.5 ，提高了 0.3精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 18 页个百分点。六、压裂前工作面需执行4 排 56个措施孔来保障安全施工，每个执行措施循环要 56 个小班才能完成；压裂后工作面可以执行3 排 42 个措施孔，只需 23 个小班就能完成，大大缩短了执行措施循环时间，为工作面进尺争取了时间。七、掩护巷干管瓦斯抽放浓度注水前为15，注水后为 30，提高了 15个百分点。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 18 页煤矿井下钻孔高压压裂技术研究与应用经济效益分析* 股份 * 2010 年 10 月 15 日精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 18 页经济效益分析通过井下钻孔高压压裂施工， 可实现低透气性煤与瓦斯突出危险煤层的强化增透消突降尘，为高效采煤方法的采用提供条件，最终实现煤与瓦斯两种资源的安全高效共采。一、直接经济效益分析（一）地面钻井压裂地面钻井压裂技术是从地面施工钻孔，需要测井、固井、完井、压裂、排采等一系列工序，单井造价平均200 万元以上，可抽采范围约10000平方米。（二）井下钻孔瓦斯抽放井下钻孔瓦斯抽放，往往以高密度钻孔、高工程量为代价。平均每2m一个钻孔，钻孔深50m以上，钻孔造价3090元/m 不等，按 50 元/m，抽采10000平方米范围约需钻孔100个，钻孔成本在2.5 万元以上。抽放钻孔施工需要三班成孔，工程量巨大，并网抽放瓦斯浓度较低，多数达不到发电利用要求。（三）井下压裂技术利用现有井巷工程，施工设备下到井下，施工钻孔，裸眼完井，钻孔单位工程成本与传统抽放钻孔一样，主要增加专用设备研制、试验、搬迁和折旧、磨损费用等。井下压裂技术不仅能够起到增透消突降尘等作用，缩短抽采周期，提高抽采效率，大大降低瓦斯治理和通风除尘费用，还能大大减少抽放钻孔数，提高工效，降低抽放钻孔工程成本，压裂抽采出来的瓦斯浓度能够满足发电要求，变害为利，变废为宝。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 18 页二、间接经济效益分析经过水力压裂的煤体，瓦斯抽放浓度和总量大大提高，瓦斯得到充分利用，减少了对大气排放造成的污染，有利于实现节能减排，保护环境。经过水力压裂和抽放后，降低了煤体中的瓦斯含量和瓦斯压力，改变煤体内部应力分布，在一定范围内起到消突和消除冲击地压的作用，确保安全生产。水力压裂后煤体内水含量增加，减少了在开采过程中粉尘产生量，改善职工作业环境，降低职业病发生率。同时压裂过程中添加防火剂可抑制煤层自燃发火。对单一厚煤层、不具备保护层开采条件的矿井增透消突降尘等，井下水力压裂是一种行之有效的措施。本项目的推广应用，可大幅度降低煤矿安全生产成本，为我国高瓦斯矿井改善社会形象，提高核心竞争力，实现集约化生产提供技术保障，从而为推动我国经济稳定持续发展作出积极贡献。三、社会经济效益瓦斯是影响煤矿安全生产的最大危害之一，瓦斯治理是煤矿安全重中之中的工作，实践告诉我们： “瓦斯不治，矿无宁日” ，治理瓦斯就是解放生产力，治理好瓦斯就是发展生产力。治理好瓦斯就是安全，就是效益，就是职工最大的福利。我矿工程技术人员研究该项技术，就是为了根治瓦斯，进一步提高全矿干部职工的瓦斯治理意识和瓦斯综合治理技术水平，只有将瓦斯治理好了，矿井才会有安全，安全是矿井最大效益，是实现矿区安全生产和社会和谐稳定的基石。精选学习资料 - 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