水力压裂技术在矿井突出治理中的应用
水力压裂技术在采矿工程中的应用与效果分析
水力压裂技术在采矿工程中的应用与效果分析水力压裂技术是一种通过注入高压水剂以及固体颗粒，将岩石破碎并形成裂缝的技术。
它主要用于提高油气和水资源的开采效果，优化采矿工程。
本文将对水力压裂技术在采矿工程中的应用以及效果进行分析。
首先，水力压裂技术在油气开采中的应用是十分广泛的。
通过将高压水剂注入油气储层，可有效地把岩石破碎，并形成裂缝网络。
这些裂缝能够提供更大的储层表面积，从而增加开采区域的有效渗透面积。
此外，水力压裂技术还能改善储层连通性，提高油气的采集效率。
通过合理的施工设计和操作方式，可以实现裂缝的指向性扩展，进一步提高采收率。
其次，水力压裂技术在水资源开采中也发挥了重要作用。
在富水储层中，水力压裂技术能够有效地提高开采率和注水率，实现更加稳定的水资源供应。
通过水力压裂，可增加储层渗透率，加大水井的产能。
此外，水力压裂技术还可应用于地下水资源的开采，提高井水量，满足农田灌溉、城市供水等需求。
水力压裂技术在采矿工程中的应用效果也是显著的。
首先，它能够大幅度提高采收率。
通过水力压裂，可以将原本无法开采的储层有效开发，并提高采取比。
这不仅能够增加产量，还能够提高采矿效益。
其次，水力压裂技术能够增加开采井的产能，提高油气或水的产量。
这对于地下资源开采公司来说，将是一项重要的利润增长点。
此外，水力压裂技术还能够改善储层的物理性质，提高油气或水的流动性，进一步提高开采效果。
然而，水力压裂技术在应用过程中也存在一些问题。
首先，水力压裂施工成本较高，涉及到固体颗粒和高压水剂的注入，需要专业的设备和技术人员，这增加了成本投入。
其次，施工过程对环境的影响较大，可能导致水资源的浪费、地下水表面化、地震等现象。
因此，在应用水力压裂技术时，需要制定相应的环保措施，以减少环境影响。
综上所述，水力压裂技术在采矿工程中的应用与效果是非常显著的。
它能够提高油气储层的采收率，增加水资源的开采量，改善采矿工程效果。
然而，在应用过程中也需要注意环境保护和成本控制等问题。
水力压裂技术在煤矿瓦斯治理中的应用
水力压裂技术在煤矿瓦斯治理中的应用作者简介：康㊀宇（１９８１－），男，河北保定人，硕士研究生，工程师，研究方向：瓦斯治理㊂康㊀宇（晋中市煤炭规划设计研究院，山西晋中０３０６００）摘㊀要：煤矿开采条件十分恶劣，在井下作业时井下瓦斯浓度较高，加上开采时煤层因透气性影响在透气性无法达到理想效果时便会使瓦斯含量增大，影响煤矿开采的安全性㊂随着煤层深度的增大瓦斯的含量也会越来越高，从而为提升煤矿开采的危险性㊂为保证煤矿开采的安全和稳定，降低煤矿开采风险度，有必要对水力压裂技术进行研究［１］㊂关键词：水力压裂技术；煤矿；瓦斯治理；应用中图分类号：ＴＤ７１２文献标识码：Ａ文章编号：２０９６－２３３９（２０２０）０２－００５１－０３ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｇａｓｃｏｎｔｒｏｌｏｆｃｏａｌｍｉｎｅＫＡＮＧＹｕ（ＪｉｎｚｈｏｎｇＣｏａｌＰｌａｎｎｉｎｇａｎｄＤｅｓｉｇｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｊｉｎｚｈｏｎｇ０３０６００，Ｓｈａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｍｉｎｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｒｅｈａｒｓｈ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｉｎｔｈｅｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｏｐｅｒａｔｉｏｎｗｈｉｌｅｔｈｅｇａｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｉｓｈｉｇｈ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｃｏａｌｓｅａｍｉｎｃｒｅａｓｅｓｔｈｅｇａｓｃｏｎｔｅｎｔｗｈｅｎｔｈｅｇａｓｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｃａｎｎｏｔａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｄｅｓｉｒｅｄｅｆｆｅｃｔｄｕｅｔｏｔｈｅｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃｏａｌｓｅａｍｄｕｒｉｎｇｍｉｎｉｎｇ，ｗｈｉｃｈａｆｆｅｃｔｓｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｃｏａｌｍｉｎｉｎｇ．Ａｓｔｈｅｄｅｐｔｈｏｆｔｈｅｃｏａｌｓｅａｍｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ｔｈｅｇａｓｃｏｎｔｅｎｔａｌｓｏｂｅｃｏｍｅｓｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙｈｉｇｈ，ｔｈｕｓｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｒｉｓｋｏｆｃｏａｌｍｉｎｉｎｇ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓａｆｅｔｙａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｃｏａｌｍｉｎｉｎｇａｎｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｒｉｓｋｏｆｃｏａｌｍｉｎｉｎｇ，ｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒａｕｌｉｃｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｃｏａｌｍｉｎｅ；ｇａｓｃｏｎｔｒｏｌ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ㊀㊀我国煤矿大部分煤层的透气性都很差，瓦斯含量也很高，加上煤矿本身开采条件恶劣，所以很容易发生瓦斯爆炸事故㊂这不仅会延误煤矿开采的进程，而且还可能会带来严重的经济损失和人员伤亡㊂同时，随着煤矿开采深度的不断加大，突然涌现的煤层也就越多，而煤层数量的增多也会极大地增加煤层缝隙，导致安全性方面的问题层出不穷㊂以往大多数煤矿煤层瓦斯治理中很难采取有效的安全防护措施，而应用水力压裂技术可提高煤层的透气性，降低煤层瓦斯含量，从而可有效抑制煤层瓦斯爆炸事故的发生，提高煤矿开采的安全性［１］㊂１㊀水力压裂技术概述水力压裂技术是煤矿治理中常见的技术之一，具有改善煤矿环境，平衡瓦斯含量的作用，从而可降低煤矿瓦斯爆炸事故发生的概率，提升煤矿开采的安全性㊂该技术主要被用来治理煤矿开采中的瓦斯问题㊂在透气性较差的煤层中煤矿中的瓦斯容易溢出，水力压裂技术可治理这些泄漏的瓦斯，降低煤矿中瓦斯的含量，从而降低煤矿瓦斯爆炸事故发生的概率㊂水力压裂技术在煤层瓦斯治理时可同时增加煤层的透气性，从而减少煤矿瓦斯泄漏的可能㊂现阶段，该技术主要被用在原生态煤层结构的瓦斯治理中，工作原理是以水力为动力源，使煤体裂缝之间保持畅通㊂这是因为采用了高于地层滤失速率的水排量，且高于地层破裂实际压力，所以在煤层开采时每一个级别都能产生一定程度的流体压力，煤层空间在膨胀力的作用下使煤层具有一定的延伸性㊂这样煤层在产生裂缝以后就能相互连通，使缝隙之间互相贯通，相应的会增大煤矿储层含量，提高采井间１５ 第３５卷第２期２０２０年４月资源信息与工程Ｖｏｌ．３５ɴ２Ａｐｒｉｌ２０２０的连通性㊂不过水力压裂技术在煤矿瓦斯治理中应用时，需要保证该煤矿具有水力压裂作用的条件，比如达到标准的压力值㊁水力排量值等㊂另外需规定水力压裂的泵注程序，使每个煤层中都有相配置的封孔技术并采取了相应的保护措施㊂２㊀水力压裂技术在煤矿应用中的多重效应２．１㊀降低煤矿瓦斯事故，改善开采环境第一，为减少瓦斯事故，需要封锁煤层中的瓦斯，确保其留在煤层中而不溢出，确保原本吸附态的瓦斯变成了游离态瓦斯，如此有助于瓦斯涌出量的减少和更好地进行散放㊂第二，该技术在应用时会出现大量裂缝，而裂缝的存在使煤层透气性显著提高，使其有效散发而不是突然的涌出㊂第三，该技术的应用有助于改变煤层结构的强度，使煤层含水饱和度增加，可有效降低煤层单轴抗压抗拉强度，使煤层开采难度下降，从而提升煤矿开采整体的安全性㊂第四，该技术的应用还可以增强煤层结构的地应力场，使煤层结构能长期处于平衡，避免煤层结构出现应力太大导致煤矿中瓦斯处于不平衡状态而发生涌现㊂第五，煤矿中瓦斯会经常处在不均匀㊁不平衡的状态，这时煤层之间瓦斯含量，以及和其他物质的比例会长期处于变化状态中，当差异过于明显瓦斯过于集中时就会增大涌出的概率，加大瓦斯爆炸的可能性㊂而应用了水力压裂技术以后，可使煤层中瓦斯的含量能从高压力值区域向低压力值区域发展，这样瓦斯能发生作用的条件减少，就会降低瓦斯爆炸的可能㊂第六，水力压裂技术的应用也有降尘的作用，比如抑制煤矿开采时扬尘的概率，从而可提升煤矿开采环境的安全，比如改善了煤矿开采的环境，不仅可减少瓦斯爆炸还能保护操作人员的安全㊂因为煤矿开采环境本身就比较复杂，开采人员长期在恶劣环境下不仅会降低工作效率，还会对身体健康甚至生命构成威胁㊂而水力压裂技术的应用，能有效改善煤矿环境，为煤矿作业人员提供一个相对友好的环境㊂２．２㊀增透效应通过水力压裂有助于增加煤层之间的透气性，确保煤层裂缝出现良好的增压效果，且有助于裂隙长度的有效延长㊁拓展，致力于煤层增透效应的显著提升㊂随着开采深度的进一步加大，生产环境越来越复杂，煤层的透气性也越来越差，瓦斯不能有效地释放导致浓度日益提高，而水力压裂技术的应用可以在煤层表面增加更多缝隙，延长分析长度，增强煤层透气性，使对煤矿井下瓦斯的处理有了更多选择的方式㊂２．３㊀抑制突出，延长抽采时间煤层瓦斯分布呈非均匀状态，在相邻两个煤层之间瓦斯压力也显著不同㊂而在经过水利压裂技术应用以后，瓦斯量和应用之前对比明显减少㊂同时瓦斯抽采孔也发生了改变，本来可能要花费一周的时间，而在经过压裂操作以后需要花费的时间延长，可能变成一个月甚至更久，说明在水力压裂技术应用以后可有效提升抽采量㊂同时该技术的应用可不断增加煤层之间的含水量和饱和度，降低了抗拉和抗压强度，可为煤层开采降低难度，提高日抽采量，提高抽采效果㊂３㊀水力压裂技术在煤矿瓦斯治理中的具体应用分析３．１㊀应用原理在煤矿瓦斯治理中应用水力压裂技术，发生作业的关键条件之一是煤矿中必须要有高压水，在高压水中还要有砂子材料形成混合液体进入煤层缝隙中㊂随着混合液体的进入，使煤层产生更大裂缝，液体的高压作用下进入煤层裂缝后砂子便会留在缝隙中，这些留在缝隙中的砂子具有支撑性作用，在这个过程中可避免缝隙闭合在一起，从而能保证煤层的透气性，使瓦斯可以从煤层中均匀有效地散发而避免了突然涌现㊂煤矿在开采时在外力条件作用下也会产生裂缝，但是受到地质地形等的影响，不同煤矿的煤层其畅通性也不同，这时需利用水力压裂技术来保证煤层的透气性，在高压作用下可通过打钻的方式往煤层中注入高压水，水体在高压作用下进入煤层地质㊂高压作用越大，水力压力越大，在水力作用下在煤层内产生支撑作用㊂３．２㊀整体优化单井压裂技术作为水力压裂技术的核心，已经被广泛应用到多个煤矿瓦斯治理当中，特别是大型煤矿油田，该技术的应用能够整体优化煤矿瓦斯治理，将其最优效果充分发挥出来㊂在进行整体优化的过程中需要对煤层进行分割，使其他参数全部覆盖，使煤层缝隙指标在长度㊁深度等方面产生变化㊂然后根据煤层缝隙大小㊁导流参数的设计来合理应２５第３５卷康㊀宇：水力压裂技术在煤矿瓦斯治理中的应用第２期用水力压裂技术㊂在现场可进行瓦斯治理模拟，对高压水进入煤层缝隙的现象进行仿真模拟和试井研究㊁实验室研究等，从而提高该技术在煤矿瓦斯治理中的效果㊂３．３㊀方位布井在利用水力压裂技术进行煤矿瓦斯治理时，方位布井指的是进行开采井的规划，研究煤层水力缝隙之间的关系，明确水力压裂技术应用目标，从而提高瓦斯治理效果㊂方位布井时，首先要得到现场各方面的信息，在布置好现场稀井网以后分析瓦斯煤层中的地应力场，然后分析瓦斯煤层中的最大应力方向㊂因为在煤层开采中所产生的裂缝大小不一且方向变化很大，因此为保证水力压裂技术在煤层中瓦斯治理的应用效果，需根据煤层瓦斯裂缝实际对方位布井进行设计，同时了解两者之间的关系，有效匹配水力缝隙和方位布井关系，提高水力压裂技术的应用效果㊂３．４㊀水力压裂重复性是水力压裂技术在煤矿瓦斯治理中应用时的另一大特点，可提升煤矿瓦斯治理的效率和质量㊂一般来说，水力压裂技术中的选层选井技术需结合模糊逻辑理论来综合考量，重复性水力压裂技术的应用可在现场选择煤层和矿井模型，结合现场指定合理的水力压裂技术应用方案㊂应用重复性水力压裂技术可预测应力场的变化，通过模型研究可在模型中输入多个煤矿地应力场，并以预测的结果为依据设置应力场中的矿井距离㊁水力压裂时间和原水平主应力差等，然后在变化规律越来越明显后可安排重复性水力压裂技术来降低煤矿瓦斯事故发生的风险㊂４㊀水力压裂技术在煤矿瓦斯治理中的应用实案例［２］㊀㊀某煤矿长期存在瓦斯突出矿井的问题，在多次水力压裂实施以后将每次注水量控制在１００ ２３０ｍ３之间，将作业压力控制在１７ ３５ＭＰａ之间，发现经过水力压裂作用后所对应的瓦斯抽采情况明显改善，提高了实际的抽采效率，水力压裂作业甚至可以影响作业外的抽采孔㊂从所获得的数据明显可以发现水力压裂作业可明显提高煤矿瓦斯抽采速度，提高煤矿瓦斯治理的效率㊂表１㊀水力压裂技术在瓦斯治理中前后数据对比分类单孔瓦斯浓度／％单孔瓦斯流量／（ｍ３㊃ｍｉｎ－１）抽采瓦斯总量压裂前４．５０．００５２３８．８压裂后９６．１０．０７６１４０５．５提高倍数２１．４１５．２５．９５㊀结语本文对水力压裂技术在煤矿瓦斯治理中的工作原理㊁作用和具体应用进行了分析㊂随着水力压裂技术的成熟，该技术对于煤矿瓦斯治理非常有效，不但可增加煤层透气性而且还能降低煤层瓦斯含量，改善煤矿作业环境，减少煤层瓦斯事故发生概率，同时也为煤矿开采提供了一个相对友好的环境㊂参考文献：［１］㊀王㊀垠．煤矿安全事故原因及防范措施探析［Ｊ］．资源信息与工程，２０１９（１）：５４－５５．［２］㊀李㊀阳，郭立稳，张嘉勇．水力压裂技术在煤矿瓦斯治理中的应用［Ｊ］．科技创新与应用，２０１８（１０）：１７４－１７５．３５第３５卷资源信息与工程第２期。
浅谈水压预裂技术在煤矿井下的实用
浅谈水压预裂技术在煤矿井下的实用摘要：随着煤矿对安全管理的目标越来越高，各种安全生产技术不断的改进和创新，其中采煤工作面初放期间顶板弱化处理、缩小初采初放顶板垮落步距的工作尤为重要，高压水力压裂技术对于工作面初采初放致裂效果好，可以有效保障工作面的初放安全。
关键词：煤矿综采；顶板弱化处理、缩小初放顶板垮落步距；高压水力压裂技术煤矿综采工作面在初次开采期间，顶板的初次来压步距往往较大，来压时有明显的动力现象，常造成支护设备损坏，危及人身安全等恶性事故。
因此工作面顶板弱化处理、缩小初采初放顶板垮落步距的工作尤为重要，目前传统的炸药爆破措施安全隐患大，而高压水预裂技术对于工作面初采初放安全有效，经济成本低，致裂效果好，优势明显，可以有效保障工作面的初放期间的安全生产。
1、高压水预裂技术分析高压水预裂技术是使用高压注水泵通过钻孔向煤、岩层压入高压水，以高压水冲压破坏煤体、岩体结构，使煤、岩层内产生裂缝，其原理是借助高压水通过钻孔向煤岩体注入，克服最小地应力和煤岩体的抗拉强度，在煤岩层内各弱面的壁面产生劈裂或支撑作用，使之发生张开、扩展和延伸，从而对煤层形成内部分割，产生或增加的裂隙能有效缩短煤岩层的破断距，从而实现缩短工作面初采初放来压步距的目的；且高压水预裂技术对坚硬顶板的控制有着非常明显的效果，主要表现在压裂和软化两个方面，从而削弱顶板的强度和整体性，使采空区顶板能够分层分次垮落，缩短初次来压和周期来压步距，有效的避免了顶板大面积来压造成的危害，已在生产实践中显示出良好的技术经济和社会效益。
2、高压水预裂实例应用该矿520106-2工作面倾角1°-4°，平均倾角2°，直接顶为中～细粒砂岩，厚度2.30-7.60m，平均厚度5.4m。
基本顶为细砂岩，厚度1.13-5.78m，平均厚3.07m。
工作面安装前，在切眼内向顶板打钻孔进行水压预裂。
2.1水压预裂技术2.1.1高压水预裂钻孔布置及参数选择1、钻孔压裂高度（层位）确定根据5-2煤厚以及520106-2工作面设计开采高，结合上覆岩层分层特性，最大预裂高度控制在15m左右，在具体水力压裂过程中可以有针对性的进行预裂，以达到更好的压裂效果。
水力压裂技术在煤矿瓦斯治理中的研究与应用
水力压裂技术在煤矿瓦斯治理中的研究与应用摘要随着我国科技的不断发展，水力压裂的技术得到了广泛的关注，目前正逐渐的被应用在煤矿的瓦斯治理当中。
因为煤矿的煤层透气功能比较差，同时瓦斯的含量又非常的高，因此常用的瓦斯治理技术根本没有办法达到标准。
本文主要是以新型技术——水力压裂技术为研究对象，之后对煤炭瓦斯治理中水力压裂技术的概述、水力压裂技术的发展状况以及水力压裂技术的原理三个方面对研究对象进行进一步的探讨和研究。
关键词水力压裂技术；煤矿；瓦斯；治理在我国所有的煤矿当中，大部分煤矿煤层透气性都比较差，另外瓦斯的含量也是非常高的，因此，在矿难事故当中，瓦斯事故的比例非常的大，同时所带来的经济损失以及人员伤亡也是最大的。
煤层开采的越深，突出的煤层就越多，安全方面的隐患也就越大。
在以往的煤矿瓦斯治理当中，缺乏行之有效的治理方法，而随着水力压裂技术的逐步使用，可以进一步的提高煤层的透气功能，同时还能不断降低煤层中的瓦斯含量。
1 煤炭瓦斯治理中水力压裂技术的概述一般情况下，各大煤矿在对突出的煤层进行采集的过程中，都会使用一些方法来对突出的煤层进行防治，防止事故的产生。
可是在我国，大部分的煤矿瓦斯突出的煤层都是透气性比较差的煤层，这就给煤层瓦斯的采集带来了很多技术方面的问题，必须得对它进行卸压并且要增加透气性。
从现在的情况来看，国际上对煤层进行减压以及增加透气性的技术方案主要包含：对煤层进行注水，对煤层的保护层进行开采以及对深孔进行爆破等相关方法，这些方法和技术在煤层的开采过程中虽然起到了一定的效果，但是还有一些问题存在。
比如：对煤层保护层开采的方法，虽然对煤层群的减压效果还不错，可是对于单一的、透气性差的煤层却作用不是很大。
而通过很多实验表明，水力压裂的技术，在上述问题的解决上面效果就比较好。
2 水力压裂技术的发展状况2.1 对水力压裂技术的整体优化水力压裂技术的中心思想是根据国际上单井压裂技术的概念而产生的，可是压裂技术整体优化的思想是在上世纪八九十年代在我国提出来的，同时在我国的很多个大型的瓦斯煤矿以及油田得到了逐步的使用和推广。
关于水力压裂技术在煤矿瓦斯治理方面的应用
区域治理前沿理论与策略关于水力压裂技术在煤矿瓦斯治理方面的应用韦小发国家电投集团贵州金元贵州林华矿业有限公司，贵州 金沙 551800摘要：水力压裂治理是治理煤矿瓦斯的一项重要技术，该项技术在具体应用过程中与其它治理技术相比，其可以实现对瓦斯治理环境的改善，并且可以提高治理效果，保证煤矿开采作业的安全性，降低安全事故的发生几率。
关键词：水力压裂；煤矿；安全生产；瓦斯治理通过对我国煤矿资源进行可以发现，我国煤矿透气性差，并且煤矿中的瓦斯含量高，在煤矿开采过程中一旦发生瓦斯爆炸事故，将会造成巨大的经济损失和人员伤亡。
正是因为如此，长期以来，我国在煤矿开采过程中，都将瓦斯治理作为其中最为重要的一项内容。
一、水力压裂技术原理及相关工艺1技术原理水力压裂技术是煤矿开采过程中常用一项技术，其适合应用在原生结构煤层中，该项技术在具体应用过程中，实际上就通过对水的动力进行应用，从而使媒体裂隙畅通，以大于地层滤失速率的排量及大于地层破裂压力，从而使煤层各级弱面内通过对弱面面壁形成流动压力，引起空间膨胀，这会使弱面发生延伸和拓展，产生裂缝，并且在结构中形成相互连通的“网络”，提高储层与筹抽采井在作业期间的连通能力[1]。
在煤矿开采作业期间，采用施水压裂方案，为了保证方案应用的合理性，必须要满足下列条件：（1）压力泵必须能够满足作业的排量和压力需求。
（2）合理的泵注程序，具体作业需要严格的依据程序开展。
（3）科学的封孔技术。
（4）安全的防护措施。
2相关工艺水力压裂技术工作面顺层压裂、沿煤层端头压裂等，煤层水力压裂工艺压裂孔情况如图1所示。
在图1中，1表示的为顺层压裂孔；2表示的为沿煤层段都压裂孔；3表示的为高抽巷压裂孔；4表示为抽巷压裂孔。
二、煤矿瓦斯治理期间水力压裂技术起到的作用1提升透气性通过对水力压裂技术进行应用治理煤矿瓦斯问题，能够在煤矿中突出的煤层中构建出一个良好的煤层空间，在具体作业过程中，通过制造空隙和裂缝的方式，提升煤层间透气性，这可以使煤层中的瓦斯在短时间内消散。
水力压裂技术在矿井坚硬顶板控制中的应用
299随着，矿井采掘深度的不断延伸，在开采顶板坚硬煤层时，由于顶板难垮落，易形成大面积的悬顶，而悬顶的存在使得巷道围岩变形研究，一旦悬顶无法承载覆岩重量发生垮落则会造成较大的冲击波，严重威胁矿井的安全生产，针对坚硬顶板我国常见的治理方法多为爆破切顶，通过在坚硬顶板中转孔爆破达到顶板的预裂效果。
水力压裂技术是一种通过高压注水从而达到预裂顶板的一种技术手段，较传统爆破切顶工作面顶板初次垮落步距与周期来压步距有所减小，且来压强度低，施工成本低等优点。
本文以霍宝干河矿2-216工作面为工程背景，对工作面顶板难垮落的问题进行分析研究，以保证工作面的安全回采，同时也为矿井地质条件相类似工作面的坚硬顶板治理提供参考与借鉴。
1 矿井概况霍宝干河矿位于临汾市洪洞县堤村乡干河村，井田面积35.56km 2，矿井生产能力为210Mt/a，霍宝干河矿2-216工作面位于+80水平一采区，平均埋深470 m，为倾向长壁式开采。
由于2-216工作面走向长度为560m，主采煤层为2#煤层，煤层平均厚度为3.75m，煤层的平均倾角为9°，煤层整体较为稳定。
工作面埋深较浅，顶板整体岩性坚硬，难垮落，易形成悬顶，为了保障工作面的安全开采，需要对工作面顶板进行治理，在经过充分考虑后选定采用水力压裂切顶技术。
2 数值模拟构建利用数值模拟对水力压裂参数进行研究，选用abaqus数值模拟软件进行模拟，考虑到坚硬顶板面积较大，在一定程度上可以简化为有限个小单元，所以模型建立为尺寸为20m×20m的正方体，在模型中间施加钻孔，钻孔的直径为50mm，对模型进行网格划分，在进行网格划分时，充分考虑模型的计算精度及计算时间，在模型靠近钻孔位置进行细划分，单元格尺寸为1cm×10cm，在距离钻孔较远段适当粗划分，单元格尺寸为0.2mm×0.2mm，完成模型网格划分后对模型进行物理参数设定，将模型整体物理参数设定为砂岩参数，在模型的钻孔内部设定注水点，对模型的边界条件进行设定，固定模型四边的位移，在模型的垂直方向施加最大水平主应力，在模型的水平方向施加最小水平主应力，固定最大水平主应力为8MPa，通过改变最小主应力以此来达到改变应力差，完成模型的建立。
水力压裂技术在矿井突出治理中的应用
鹤 煤 集 团六 矿 位于 鹤 壁 煤 田 东 部 ， 可采 煤为 层 二１ ， 厚４ ６ 煤 煤 ． ７～１ ６ ， ｍ ５． 平均 厚 ８ ６ ｍ ． ７ 六 矿 井 田 为 一 向 东 倾 斜 的 单 斜 构 造 ， 层 、 曲发 育 ， 造 煤 多 断 褶 构 且厚度 变化 剧 烈 ， 井 田深部 尤其 明显 ， 到 平 均倾 角２ 。 右 ， 部 暂 定边 界标 高一 ０左 深 ８ ０ 。 采 二 １ 层 为 难 抽 煤 层 （ 气 性 ０ｍ 所 煤 透 系数 ０ ０ ～０ ０ ５ ．３ ． ４ ｍｄ， 百米 钻 孔 抽 放 量 一 般为 ０． ｌ ｍ３ ｈ ． ｎ ， ０ ８ 矿 井 瓦 ０ ７ ／ ｍ ｍｉ ） ２ ０ 年 斯 鉴 定 结 果 瓦斯 绝 对 涌 出 量 为 ７ １ ｍ ２． ０ ／ ｍｉ 相 对 瓦 斯 涌 出 量 为 ２ ８ ｍ 。目前 ｎ， ９． ０ ／ｔ 实 测 得 最 大 瓦 斯 含 量 为 ｌ ４ ｍ ／ ， 高 ６． ８ ｔ 最 瓦 斯 压 力 为 １ ６ ａ 一３ Ｏ 、 压 力 ） 如 ． ＭＰ （ ９ ｍ 表 ， 何 保 证 安 全 生 产 ， 六 矿 急 需 解 决 的 问 是 题 。 者 通 过 现 场 实 践 ， 高 突 煤 层 水 力 笔 对 压 裂 技 术 进 行 了研 究 。
裂 和 井 下 水 力 挤 出 试 验 经 验 ， 注 水 泵 压 当
地 点 二 ： ２ ４ １ 中巷 以 南 ｌ ９ 在 ｌ３ 集 ２ ｍ处 ， 为 增 加 煤 层 透 气 性 ， 高 瓦 斯 抽 放 效 以 仰 角 ５ 。 垂直 集 中 巷上 帮 向煤 体 打 压 裂 提 ３， 果 ， 根 本 上 改 善六 矿 的 防突 条件 ， 从 在河 南 孔 ， 深 穿 透 煤 层 并 见 顶 板 （ 际 岩 孔 长 孔 实 省 煤 层 气 开 发 利 用 有 限 公 司 的 大 力 支 持 ３ ｍ， ５ 穿煤 １ｍ， ５ ｍ） ７ 共 ２ 。 下 ， 矿 在 井 下２ ４ １ 采 工 作 面 开 展 了水 六 １３综 （ ） 裂 孔 封 孔 深 度 ２压 本 次 试 验 封 孔 材 料 采 用 膨 胀 速 凝 水 力 压 裂 增 加 煤 层 透 气 性 试 验 。 下 压 裂 的 井 基本 原 理 就 是 将 压 裂 液 高 压 注 入 煤 （ 岩 ） 泥 ， 孔 工 艺 采 用 注 浆 泵 高 压 水 泥 砂 浆 封 或 封 封 ０ ５ 在 体 中 原 有 的 和 压 裂 后 出 现 的 裂 缝 内 ， 服 孔 。 孔 深 度 在 工 作 面 为 ２ ～２ ｍ， 运 输 克 最 小 主 应 力 和 煤 岩 体 的 破 裂 压 力 ， 宽 并 顺 槽 ２ ３ ｍ 。 扩 ５煤层 瓦斯含量 ， 瓦斯压 力在不 断的增 大， 为防止在生产过 程 中突出事故 的发生 ， 实现安全 生产 ， 对高 压注水 压裂 消突技 术进 行 了研 究 。 测取 压裂 参数 ， 用压 裂设备 ， 利 对有 突 出危 险性 的实体 煤进 行压 裂 。 实践表 明， 力压裂技术 可将煤 经 水 （ 体 内部微 裂 隙扩展 使其连 同 ， 煤体 内的瓦斯 潜能及弹 性能得 到一定量 的释 放 ， 岩） 将 是煤层的透 气性增加 ， 结合 瓦斯 抽防技术 使被压裂 的 实体煤 内的 瓦斯 压 力和 瓦斯含 量降低 ， 削减和 消除煤体 突 出的危 险性 。 喷技 术 的实施有效 的保证 了突出煤层 区域 消突 ， 这 为在突 出危险
高压水力压裂技术在突出煤层井下应用分析
高压水力压裂技术在突出煤层井下应用分析摘要：针对平顶山矿区单一低渗透突出煤层透气性差、钻孔瓦斯抽放难的特性，研究分析了井下高压水力压裂钻孔壁四周应力分布、裂缝启裂机理。
在压裂过程中，结合井下特殊生产环境的要求，优化设计清水重复压裂施工工艺，有效改善了压裂目标层的透气性能，使其钻孔瓦斯抽放流量成倍增加，增透效果明显。
关键词：高压水力压裂低渗透性煤与瓦斯突出清水重复压裂水力压裂技术是改造低渗透油、气储层使其达到工业性开采的经济有效的手段之一。
20世纪70年代，该技术被引入到美国圣胡安盆地的煤层气开采中，取得了显著的效果，随后逐渐发展为煤层气储层改性的首选技术。
同期国内一些煤矿（如抚顺龙风矿、湖南白沙红卫矿和里王庙矿、焦作中马村矿）也先后进行了水力压裂试验工作。
目前水力压裂技术与其它学科交叉、渗透，建立了新的压裂与开发的理念和方法，由过去简单的水力压裂发展到当前的控制压裂，是广泛应用于改造低渗透石油、天然气、煤储层的常规技术。
平顶山矿区是我国重要的煤炭生产基地之一，矿区煤层瓦斯地质赋存条件复杂，瓦斯含量高，瓦斯压力大，煤层透气性差，是国内煤矿瓦斯灾害威胁最严重的矿区之一。
由于矿区单一低渗透突出煤层分布广泛，瓦斯抽采难度很大。
近年来，为了有效改善单一低渗透突出煤层的渗透性，水力压裂增透技术也被引进到突出矿井的瓦斯治理工作中，已先后在矿区多对突出矿井进行了井下实验，取得了初步效果。
本文综合分析平煤股份十二矿井下高压水力压裂技术的应用情况，期望在突出矿井的井下高压水力压裂技术研究工作方面进行有益探索。
一、试验地点概况平煤股份十二矿己15-17200综采工作面位于矿井己七采区中部。
工作面倾斜长度为230m，可采走向长度750m，可采储量73万t，煤厚3～3.5m，煤层容重 1.31t/m3，煤层倾角15～30°，工作面煤层瓦斯压力 2.85MPa、瓦斯含量20.3m3/t，属于严重突出危险工作面。
二、井下高压水力压裂技术应用根据己15-17200综采工作面煤层瓦斯压力大、含量高、煤层透气性差的实际情况，为有效提高钻孔瓦斯抽采效果，经过对比分析确定采用井下高压水力压裂技术，最大限度提高煤层透气性，提高钻孔瓦斯的抽采能力。
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水力压裂技术在矿井突出治理中的应用
作者：桑杰
来源：《科技创新导报》 2011年第18期
桑杰
(河南煤化鹤煤(集团)公司河南鹤壁 458000)
摘要:随着开采深度的不断的延伸,煤层瓦斯含量、瓦斯压力在不断的增大,为防止在生产
过程中突出事故的发生,实现安全生产,对高压注水压裂消突技术进行了研究。
测取压裂参数,利用压裂设备,对有突出危险性的实体煤进行压裂。
经实践表明,水力压裂技术可将煤(岩)体内部
微裂隙扩展使其连同,将煤体内的瓦斯潜能及弹性能得到一定量的释放,是煤层的透气性增加,结合瓦斯抽防技术使被压裂的实体煤内的瓦斯压力和瓦斯含量降低,削减和消除煤体突出的危险性。
这项技术的实施有效的保证了突出煤层区域消突,为在突出危险区的煤层开采提供了一项可行的新措施。
关键词:水力压裂技术矿井治理
中图分类号:TD712 文献标识码:A 文章编号:1674-
098X(2011)06(c)-0049-02
鹤煤集团六矿位于鹤壁煤田东部,可采煤为层二1煤,煤厚4.67～15.6m,平均厚8.67m；六
矿井田为一向东倾斜的单斜构造,断层、褶曲发育,构造煤多且厚度变化剧烈,到井田深部尤其明显,平均倾角20°左右,深部暂定边界标高-800m。
所采二1煤层为难抽煤层(透气性系数0.03～0.045md,百米钻孔抽放量一般为0.017m3/hm.min),2008年矿井瓦斯鉴定结果瓦斯绝对涌出量为72.10m3/min,相对瓦斯涌出量为29.80m3/t。
目前实测得最大瓦斯含量为16.48m3/t,最高瓦斯
压力为1.6MPa(-390m、表压力),如何保证安全生产,是六矿急需解决的问题。
笔者通过现场实践,对高突煤层水力压裂技术进行了研究。
1 水力压裂消突机理
为增加煤层透气性,提高瓦斯抽放效果,从根本上改善六矿的防突条件,在河南省煤层气开发利用有限公司的大力支持下,六矿在井下21431综采工作面开展了水力压裂增加煤层透气性试验。
井下压裂的基本原理就是将压裂液高压注入煤(或岩)体中原有的和压裂后出现的裂缝内,克服最小主应力和煤岩体的破裂压力,扩宽并伸展和沟通这些裂缝,进而在煤中产生更多的次生裂缝与
裂隙,从而增加煤层的透气性。
2 水力压裂消突技术
2.1 压裂注水参数的选择
实施水力压裂措施时,最重要的是各项注水参数选择,它包括压裂孔布置方式、压裂孔孔深、封孔深度、注水时间以及注水压力等。
由于这些参数目前没有固定的计算公式,各项参数都需要通过现场摸索试验来确定。
(1)钻孔布置方式
本次压裂布孔有两个地点,分别为21431工作面和21431集中巷,先开展了工作面的水力压
裂工作,之后进行了集中巷穿层孔水力压裂试验。
地点一:在21431工作面中部布置压裂孔,具体位置为距上顺槽62.5米处(斜距),采用
Ф50mm的钻杆,配Ф75mm的钻头,平行于上顺槽方向,孔深42m,
地点二:在21431集中巷以南129m处,以仰角53°,垂直集中巷上帮向煤体打压裂孔,孔深穿透煤层并见顶板(实际岩孔长35m,穿煤17m,共52m)。
(2)压裂孔封孔深度
本次试验封孔材料采用膨胀速凝水泥,封孔工艺采用注浆泵高压水泥砂浆封孔。
封孔深度在工作面为20～25m,在运输顺槽25～30m。
(3)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。
(4)压裂时间
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。
注水系统由注水泵、水箱、压力表、专用封孔系统等组成。
注水泵选用额定压力为
31.5MPa、额定流量为400L/min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2寸高压胶管和优质无缝钢管,采用快速接头连接。
无缝钢管外径57mm,壁厚6mm,每节长3m。
孔内末段钢管5m开孔,孔径10mm,孔密20孔/米,钢管底部锥形丝堵封口。
如图1所示。
2.2 工作面顺层孔试验
21431工作面及集中巷进行了水力压裂试验。
1首先对2143工作面注水孔进行压裂。
试验开始,试机、试压完好,压力达到6MPa,流量水
表原始数据分别为99980、00018。
经过压裂,本次顺层孔压裂压力最高11MPa,注水量为12.5m3。
顺层孔压裂结束后进入工作面查看,工作面71架至77架位置(距下顺槽约93.75～101.25m)顶板岩石冒落,堆满运输机(压裂孔位于62架,距下顺槽约82.5m),本段有煤壁外移现象。
2.3 2143集中巷穿层孔试验
21431集中巷压裂孔处(距五川129m),单泵进行管路试压,流量水表数据分别为99983.6、00028.1,后停泵,查看管路无问题。
水表数据为10008.9、00030.3,累计注水量21.1m3。
本次穿层压裂压力最高8MPa,注水量为27.5m3。
穿层孔压裂结束后进入工作面查看,下顺槽距五川139m位置(下顺槽大坡度下)上帮出水,分析是穿层压裂孔与断层裂隙导通形成裂隙漏水。
2.4 水力压裂期间上顺槽回风瓦斯涌出情况
利用水力压裂前后21431工作面回风瓦斯传感器监测曲线分析水力压裂期间瓦斯涌出情况。
开始进行水力压裂,之前回风瓦斯浓度约为0.3％,自压裂开始到压裂结束,回风瓦斯浓度自0.4％逐渐上升,浓度稳定在0.5％,瓦斯浓度最大0.74％,到结束时回风瓦斯浓度恢复至0.3％左右。
水力压裂期间,工作面回风风量约为1300m3/min,经计算,水力压裂期间瓦斯涌出量比平时
多涌出约800m3。
2.5 水力压裂试验前后21431工作面瓦斯抽放效果对比
(1)2143下顺槽抽放情况对比
水力压裂前:下顺槽抽放钻孔抽放负压约130mmHg,瓦斯浓度为15％～16％,抽放纯量为
0.5～0.6m3/min。
水力压裂后:下顺槽抽放钻孔负压约为70mmHg,瓦斯浓度在15％～22％,抽放纯量为0.8～
0.9m3/min。
分析:对比水力压裂前后下顺槽瓦斯抽放情况,抽放浓度比原来抽放浓度增加5％～6％,抽
放纯量增加0.3～0.4m3/min,抽放效果明显提高。
(2)2143集中巷抽放情况对比
水力压裂前:集中巷穿层抽放钻孔抽放负压约120mmHg,瓦斯浓度为27％,抽放纯量为
0.15～0.2m3/min。
水力压裂后:集中巷补打了57个穿层钻孔,抽放钻孔负压约为75mmHg,瓦斯浓度在64％～70％,抽放纯量为0.3～0.5m3/min。
分析:对比水力压裂前后穿层钻孔瓦斯抽放情况,抽放浓度比原来抽放浓度增加了约2.5～3倍,抽放纯量增加了1.5～2.5倍,抽放效果明显提高。
尤其是压裂钻孔,浓度最高,衰减最慢,单孔纯量达到0.37m3/min。
其中将集中巷水力压裂孔带抽后,抽放浓度最大(70％左右),抽放纯量最高(约0.5m3/min),衰减相对来说也比较慢,抽放效果较好。
3 综述
(1)21431工作面水力压裂试验是成功的,通过水力压裂试验,增加了煤层透气性,提高了抽放效果,扩大抽放钻孔的影响范围。
(2)在水力压裂后重新补打抽放钻孔期间,喷孔、夹钻、塌孔比压裂之前次数明显降低,有利于抽放钻孔的施工。
(3)水力压裂试验有利于提高抽放效果,有利于区域防突的顺利开展。
(4)利用穿层孔水力压裂比利用顺层钻孔水力压裂效果好,原因岩石封孔效果比煤体封孔效果好,压裂范围大。
(5)水力压裂之后,煤体比较潮湿,不利于抽放钻孔施工的排粉。
参考文献
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[3]林伯泉,崔恒信．矿井瓦斯防治理论与技术[M]．徐州:中国矿业大学出版社,1998.。