煤层水力压裂技术
煤矿井下水力压裂技术及在围岩控制中的应用
煤矿井下水力压裂技术及在围岩控制中的应用摘要：煤矿井下水力压裂技术是非常重要的，该技术主要是坚硬顶板弱化和高应力巷道围岩卸压。
针对煤矿水力压裂理论，结合国内的真三轴水力压裂试验，对压裂技术进行数据分析和研究。
另外，根据水力压裂技术的过程及在围岩控制过程中的数据探讨和分析。
关键词：煤矿水力压裂技术围岩控制水力压裂技术一直是煤矿井下的重要施工技术，尤其是在围岩控制方面起到非常重要的作用。
根据下面对水力压裂技术的分析以及相关应用的探索，同时涉及水力压裂技术的设备进行着重分析强调，可以让相关人员更能抓住该技术的使用重点。
除了围岩压裂的原理、参数，还需要对机具与施工工艺及压裂进行效果检测，还要根据岩体物理力学性质和岩体结构对施工方向和应力范围进行数据分析。
一、水力压裂技术及其理论研究水力压裂技术是从1950年研发出来的，直到现在，该技术已经逐渐发展和成熟，作为常规低渗油气增透技术，在很多领域深受欢迎，例如非常规油气开采、页岩油气开发、煤层气开发、地应力测量、地热资源开发、核废料处理、CO2封存等领域，具有广泛的工业价值。
本文也是针对煤矿井下领域的研究，水力压裂技术的应用效果主要体现在围岩控制和低渗透煤层的增透这两个领域。
主要是针对回采工作面坚硬难垮顶板控制、高应力巷道围岩卸压及冲击地压防治。
这种技术的实质是在钻孔中注高压水，在坚硬顶板中形成裂缝而弱化顶板，使其能及时垮落。
但在试验初期，由于对水力压裂技术缺乏深入的认识，施工机具也存在较大问题，致使该项技术在很长一段时间内没有得到推广应用。
水力压裂技术理论国内外的学者都曾在油气系统地面钻井压裂、煤炭行业中应用过程中进行深入的分析，但在该技术上仍有很大的分歧，在水力压裂效果上不尽如人意。
随着我国煤炭技术的发展以及煤炭行业的技术设施的配备，水力压裂技术也得到了大范围推广应用，促进了水力压裂技术理论的进一步研究。
二、水力压裂技术设备及压裂效果分析下面分析压裂机具与设备，我们以煤炭科学研究总院开采研究分院开发的水力压裂机具为例进行介绍。
煤层气井水力压裂技术
适用于低渗透煤层，能够提高煤 层的渗透性，增加天然气产量， 是煤层气开发中的关键技术之一 。
技术原理
01
02
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高压水流注入
通过高压水泵将高压水流 注入煤层，利用水压将煤 层压裂。
支撑剂填充
在压裂过程中，向裂缝中 填充支撑剂，如砂石等， 以保持裂缝处于开启状态。
气体流动
压裂后，煤层中的天然气 通过裂缝和孔隙流动，被 开采出来。
智能化发展
利用人工智能、大数据和物联网技术，实现水力压裂过程 的实时监测、智能分析和自动控制，提高压裂效率和安全 性。
绿色环保
研发低污染或无污染的压裂液和支撑剂，降低压裂过程对 环境的影响，同时加强废弃物的处理和回收利用。
多层压裂和水平井压裂
发展多层压裂和水平井压裂技术，提高煤层气开采效率， 满足市场需求。
煤层孔隙度
孔隙度决定了煤层的储存空间和吸附能力，孔隙度高的煤层有利于 气体的吸附和扩散。
压裂液性能
பைடு நூலகம்
粘度
粘度是压裂液的重要参数，它决 定了压裂液在煤层中的流动阻力， 粘度越高，流动阻力越大。
稳定性
压裂液的稳定性决定了其在高压 和高剪切条件下保持稳定的能力， 稳定性好的压裂液能够保持较好 的流动性和携砂能力。
解决方案
为了降低水力压裂技术的成本，研究 人员和工程师们正在探索新型的压裂 液和支撑剂，以提高其性能并降低成 本。同时，优化压裂施工方案、提高 施工效率也是降低成本的有效途径。 此外，加强设备的维护和保养、提高 设备的利用率也是降低水力压裂成本 的重要措施之一。
06
水力压裂技术的前景展 望
技术发展方向
能力和导流能力。
裂缝网络设计
裂缝走向
水力压裂综采工作面安全技术措施
水力压裂综采工作面安全技术措施1.通风技术措施：水力压裂综采工作面需要将瓦斯等有害气体及时排走，确保工作面通风良好。
要在工作面进眼处设置风门，防止有害气体回流；在采煤面和回采巷道上部设置人工送风机，增加通风量；定期对风机进行检查和维护，确保风机正常运转。
2.支护技术措施：水力压裂综采工作面需要采用合适的支护技术，确保工作面的稳定。
常用的支护方式有锚杆支护、锚索支护和合成材料支护等。
支护设备要按照规定的标准进行安装和使用，支护材料要选用质量合格的产品。
3.瓦斯抽放技术措施：矿井中常常存在瓦斯，水力压裂综采工作面的运行会产生更多的瓦斯。
为了防止瓦斯积聚，需要采取瓦斯抽放措施。
可在工作面的回采巷道设置抽排管道，通过抽风机将瓦斯抽出矿井外。
同时要定期对抽排设备进行检查和维护，确保设备的正常运行。
4.火灾防治技术措施：水力压裂综采工作面的工作环境容易引发火灾。
为了防止火灾的发生，首先要做好火灾防治宣传教育工作，提高职工的防火意识。
同时要加强对电气设备的管理，防止电气设备引起火灾。
在工作面和回采巷道设置水枪等消防设备，以便在火灾发生时能够及时进行灭火。
5.安全监测技术措施：水力压裂综采工作面需要对矿井的地质构造、地应力和瓦斯浓度等进行实时监测，及时发现问题并采取措施处理。
可以采用地声波监测、应力监测和瓦斯浓度监测等技术手段，对工作面进行全面监测。
此外，水力压裂综采工作面还需制定科学合理的作业方案，明确作业顺序和步骤，并在作业过程中加强对职工的培训和安全教育，提高职工的安全意识和技能水平。
同时，加强对设备的巡检和周期性维护，确保设备的正常运行。
煤矿井下水力压裂增透抽采技术
水力压裂提出的背景
4 煤层气开发与瓦斯治理的现状并不乐观
1）煤层气技术现状 对于非突出煤： ◆少数地区实现了局部商业化开发； ◆而支撑整个煤层气行业的是地面垂直井压裂完井工艺； ◆可以实现水力压裂强化增透抽采 对于突出煤： 地面煤层气开发的禁区、井下瓦斯产出的低效率区
煤矿井下水力压裂增透抽采技术
主要内容
1
2
3
水力压裂提出的背景
水力压裂技术简介
水力压裂技术装备及工艺
水力压裂的应用
4
1《防治煤与瓦斯突出规定 》要求区域消突先行
水力压裂提出的背景
第六条规定：防突工作坚持区域防突措施先行、局部防突措施补充的原则。突出矿井采掘工作做到不掘突出头、不采突出面。未按要求采取区域综合防突措施的，严禁进行采掘活动。 区域防突工作应当做到多措并举、可保必保、应抽尽抽、效果达标。
渝阳煤矿水力压裂
2
压裂地点定为N3704西瓦斯巷(下)
钻孔布置
为了准确地获取煤层参数，并检验压裂效果及测试抽采半径。本次陆续共布置标准孔2个、压裂孔1个、检验孔15个
压裂过程
压裂的有效时间为10小时30分。分两个阶段，第一阶段压裂第一阶段压裂持续时间为278分钟，第二阶段持续350分钟。煤岩层产生破裂时间为第111分钟，此时压力从45.1MPa突降至36.1MPa，流量从1.2m3/h升至2.6m3/h。
——水力压裂是实现区域消突和局部消突的有效技术
单一突出煤层区域消突困难
水力压裂提出的背景
2 提高预抽瓦斯浓度的需求
抽采瓦斯浓度、抽采量、抽采率抽采时间取决于煤层透气性以及抽采工艺 ——压裂是煤层增透的有效途径、是提高预抽瓦斯浓度抽采的有力保证
水力压裂提出的背景
煤层水力压裂典型裂缝形态分析与基本尺寸确定
煤层水力压裂典型裂缝形态分析与基本尺寸确定煤层水力压裂是一种通过高压水将煤层破裂的方法，常用于煤层气开采。
在水力压裂过程中，裂缝形态及其尺寸的确定对于煤层气开采有着重要的影响。
下面将对煤层水力压裂典型裂缝形态分析与基本尺寸确定进行阐述。
典型裂缝形态分析：1.折曲型裂缝：在煤层水力压裂过程中，若煤层中存在节理或含有岩层，则容易出现折曲型裂缝。
这种裂缝多为弯曲、交叉，长度较短，裂缝宽度较窄。
2.平直型裂缝：若煤层中不含岩层或较少含有节理，则容易形成平直型裂缝。
这种裂缝多为直线状，裂缝宽度较宽，长度较长。
3.网状型裂缝：网状型裂缝是由多个交叉的裂缝组成的，这种裂缝一般出现在煤层中含有多个节理的情况下。
裂缝的宽度和长度不一定相同，形态较复杂。
基本尺寸确定：1.裂缝高度：裂缝高度是指水力压裂后形成的煤层裂缝的高度。
裂缝高度的确定主要受煤层性质和水力压裂参数的影响。
煤层的厚度和裂缝高度的比率应在合理的范围内。
2.裂缝宽度：裂缝宽度是指水力压裂后形成的煤层裂缝的宽度。
裂缝宽度的大小决定了裂缝的通透性，因此选择合适的水力压裂参数是保证裂缝宽度的关键。
3.裂缝长度：裂缝长度是指水力压裂后形成的煤层裂缝的长度。
裂缝长度主要受煤层性质、水力压裂参数和裂缝类型的影响。
选择合适的水力压裂参数以及了解裂缝类型，对裂缝长度的确定十分重要。
总之，在进行煤层水力压裂前，了解煤层的结构性质和地质构造，选择合适的水力压裂参数，以及合理地确定裂缝形态和基本尺寸是非常必要的。
只有经过科学合理的设计，才能通过水力压裂技术更好地实现煤层气开采的目标。
煤矿井下钻孔高压水力压裂技术研究与应用研究报告
煤矿井下钻孔高压水力压裂技术研究与应用研究报告1. 引言煤矿井下钻孔高压水力压裂技术是一种通过利用高压水将岩层破碎以提高煤矿开采效率的方法。
本研究旨在对这一技术进行深入研究，并探索其在实际应用中的潜在效益。
2. 研究背景煤矿开采过程中，传统的机械采矿方法在某些复杂岩层条件下存在效率低下的问题。
钻孔高压水力压裂技术作为一种新兴的开采方法，被认为能够显著提高煤矿的开采效率。
3. 技术原理3.1 高压水力压裂原理高压水力压裂技术利用高压水通过钻孔进入岩层，形成高压水射流。
高压水射流对岩层施加压力，导致岩层破碎。
通过不断重复压裂操作，可以将煤层有效地破碎。
3.2 技术流程矿井井下钻孔高压水力压裂技术一般包括以下流程： 1.钻孔：选择合适位置进行钻孔，通过钻孔设备将钻孔深入到目标煤层。
2. 压裂液的配制：根据煤层的特性和压裂需要，选取合适的压裂液成分和浓度。
常见的压裂液成分包括水和添加剂等。
3. 高压水射流压裂：将压裂液通过钻孔注入到煤层中，通过高压水射流将煤层进行压裂。
4. 压裂效果评估：通过对压裂后的煤层进行评估，判断压裂效果是否满足预期。
4. 技术优势煤矿井下钻孔高压水力压裂技术具有以下优势： - 提高煤矿开采效率：通过将煤层破碎，增加煤层与水的接触面积，提高了煤层的可开采性。
- 减少煤尘产生：钻孔高压水力压裂技术采用水力破碎岩层，相比传统机械破碎方法，能够有效减少煤尘的产生，改善井下工作环境。
- 降低能耗：相比传统机械破碎方法，钻孔高压水力压裂技术在能耗方面有一定的优势，因为其主要依靠高压水射流进行破碎。
5. 应用案例5.1 煤矿井下开采煤矿井下钻孔高压水力压裂技术广泛应用于煤矿井下的煤炭开采过程。
通过在煤层中进行钻孔并施加高压水射流，可以显著提高煤炭的采取率与产量。
5.2 土壤改良除了煤矿开采外，钻孔高压水力压裂技术也可以应用于土壤改良领域。
通过在土壤中进行钻孔并施加高压水射流，可以改良土壤的结构和渗透性，提高土壤的可利用性。
煤矿地面水力压裂增透技术研究及应用
煤矿地面水力压裂增透技术研究及应用随着煤矿深度的增加和采空区的扩大，煤层裂隙的连通性逐渐减弱，导致煤层透水性下降。
为了提高煤层透水性，一些煤矿企业通过地面水力压裂技术来实现增透，取得了很好的效果。
本文以某煤矿为例，介绍了其水力压裂增透技术的研究及应用情况。
地面水力压裂增透技术是一种通过喷射高压水流将水平煤层裂隙强制扩张的技术。
其原理基于以下三个方面：1.地应力效应。
煤层深度越深，地应力越大。
在高压水流的冲击下，煤层裂隙会逐渐扩大，破裂面积增大，导致煤层透水性增加。
2.水流冲刷效应。
高压水流在进入煤层裂隙后，会引起局部水流速度的剧烈变化。
这种水流速度变化会产生剪切力和摩擦力，使煤层裂隙周围的颗粒产生磨蚀和冲刷，促进煤层裂隙的扩大和连通。
3.压缩弹性效应。
在高压水流的作用下，煤层内的孔隙和裂隙会遭受水压力和应力的双重作用，从而产生弹性变形。
当水流停止喷射后，孔隙和裂隙会恢复原状，形成较大的空隙和缝隙，进而改善煤层透水性。
二、技术应用过程1.制定施工计划。
根据煤层地质条件和透水性要求，制定施工计划，明确水力压裂方案、施工工艺和设备配置等内容。
2.选择施工点位。
选取煤层透水性较差的地段，确定水力压裂的施工点位和井点位置，同时进行现场勘察和测量，明确煤层深度、倾角、孔隙度和裂隙特征等参数。
3.布设压裂管网。
根据地质条件和水平煤层裂隙的特点，选择合适的压裂管径和喷嘴数量、排列方式，在施工点位井筒内布设压裂管网，并将其与高压水泵和控制系统连接。
4.试压和压裂。
先进行试压，检测管道系统的密封性和耐压性，并根据煤层特点和地质结构参数调整水流压力和流量。
然后开始压裂作业，根据水力压裂方案逐级进行压裂，使煤层裂隙扩张，直到达到要求的透水性。
5.井筒修复和安全措施。
水力压裂后，需要对井筒进行修复和加固，确保井壁的完整性和稳定性。
同时，应选派专人进行安全监测和管道维护，以确保压裂作业的安全性和顺利性。
某煤矿应用地面水力压裂增透技术后，取得了以下几个明显的效果：1.煤层透水性显著提高。
煤矿井下水力压裂技术进展及展望
目前，井下水力压裂使用的压裂泵大多是煤矿 用乳化液泵，额定压力一般为 31． 5 MPa、额定流量 为 400 L / min 左右。三缸柱塞泵也可作为压裂泵， 其最大 工 作 压 力 50 MPa，最 大 工 作 排 量 1． 5 m3 / min，具有多档变速的特点，可以实现压力和泵排量 等参数的瞬时数据实时记录和历史曲线显示的功 能。河南省煤层气开发利用有限公司根据井下作业 环境的实际情况，研制了大流量、高压力、体积小、可 远距离操 控 的 井 下 专 用 压 裂 泵 组，该 泵 电 机 功 率 315 kW，最 高 压 力 52． 8 MPa，最 大 流 量 1 128 L / min，满足了井下压裂大流量、高压力的需求［17 － 18］。 1． 3ห้องสมุดไป่ตู้ 2 高压封孔技术
翟成等在普通水力压裂和脉动注水技术的基础 上，提出了煤层脉动水力压裂卸压增透技术，该技术 是将具有一定频率的脉动水持续注入钻孔中，由峰 值压力与谷底压力构成周期性的脉动波，对煤体裂 隙产生交变或重复荷载，逐渐使煤体出现疲劳损伤， 促使煤层中的微小孔裂隙形成和逐渐张开，宏观裂 隙扩展联通，最终形成新的裂隙网［15］。 1． 2． 4 井下点式水力压裂
富向提出了一种井下点式水力压裂技术，该技
术是将常规水力压裂中压裂作用“面”改为“点”，利 用特制的封孔器将整个钻孔分为数段，每次将压力 集中在一“点”上按一定的顺序分段实施压裂，由于 作用点比较集中，较小的流量即可获得好的压裂效 果，减少水 流 量，从 而 降 低 了 对 压 裂 水 力 系 统 的 要 求，设 备 的 体 积 大 大 减 小，可 以 适 应 井 下 巷 道 条 件［16］。 1． 3 井下水力压裂装备
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2.4 煤层水力压裂技术
2.4.1 水力压裂技术的机理
水力压裂是在石油天然气工业中成熟的，用以提高油、气井生产能力的技术。
在美国已经把它应用到好几个煤田的瓦斯排放工作中（杜尔，1989）。
它的基本原理是：选定压裂的煤层后在地面上用泵产生高压水流，从钻孔进入煤层，把煤层中原有的裂缝撑开，继续压入水流，使煤层中被撑开的裂缝向四周发展，与此同时，在水中加入筛过的沙子，把它当作支撑剂，送进煤层中被撑开的裂缝里，当压裂结束，压裂用水返排后沙子仍然留在煤层中支撑开的裂缝中。
水力压裂造成瓦斯流动的通道从钻孔底部向四周延伸到一百多米远的地方。
使煤层的钻孔排放瓦斯范围扩大，因而瓦斯涌出量也增加。
煤层内天然裂缝对水力压裂是有影响的。
主要的天然裂缝是垂直于煤层层面的。
井下实际观察资料表明，水力压裂所造成的裂缝多数是垂直于煤层层面，其方向与重要的天然裂缝平行，偏差不过10°。
它们常常与次裂缝的方向垂直。
但是在335.28m深的钻井内，压裂的压力超过地层的垂直覆盖的压力时，也可以在，煤层内造成平行于煤层层面的水平裂缝。
煤层与顶、底板岩层的接触面对压裂的裂缝也会有影响，对压裂孔作井下实地观测表明压裂形成的裂缝通常是在煤层内，或者是沿煤层与顶、底板接触面而发展，也不垂直进入岩层，这可能是因为接触面的机械强度比较弱，阻力比较小。
在美国依州六号煤层内，为了增加压裂液携带沙子的能力，使用轻型胶液作为压裂液在煤层形成的压裂裂缝最长达126.8m。
压裂使用泡沫做压裂液，携带沙子，也能得到比较长的压裂裂缝。
相距152m、305m的钻孔在压裂中沟通，证明泡沫压裂能造成比较长的裂缝。
压裂压力与煤层所受地压力之差值影响压裂裂缝的宽度，差值越大，宽度越大，反之则相反。
压裂液的流量与它的黏度对裂缝的宽度也有影响，用黏性较大的胶液，压裂流量为1.59m3/min时产生的裂缝有63.5mm宽；用黏性小的压裂液时，同样的压裂流量，产生的裂缝宽度只有3.2~9.5mm。
用黏性大的胶液再加一些防止流失的附加剂作为压裂液时，虽然压裂流量只有1.23m3/min，也能造成127mm宽的裂缝。
显然，压裂液的黏度比压裂液注入的速度对裂缝宽度的影响更为重要。
压裂中使用的沙子是用以支撑压裂所造成的裂缝。
10~40目的沙子是标准支撑材料。
在煤层内沙子的理想分布应是均匀地分布在裂缝中各个部分。
但当压裂结束后，压裂用水返回时，会将部分沙子携带到钻孔底部，形成回流现象。
压裂刚完时，煤层内压力大，压裂液回流速度大，携带沙子的能力强，回流的沙子也多。
水、胶状水及泡沫式常用的几种压裂液，它们各有优缺点。
胶状水已经在21次压裂中使用过。
它是水与植物胶的混合物，用它携带沙子及减少水分流失。
泡沫压裂液是水、氮气、泡沫剂及沙子的混合物。
它比胶状水有好些有点，它可以减少压裂液在煤层
内的流失，也使“砂堵”减少。
操作也很干净，一天之内压裂液都会大部分从煤层流出来，它使用水量要比胶状水压裂少60%~80%。
美国还曾使用过氮气作为压裂液体，在玛丽李煤层从一个335.28m钻孔进行过实验，效果也不好，瓦斯出得很少。
2.4.2 水力压裂的试验效果
在美国，60多次的水力压裂中，有12次已经在井下看到它的效果。
1、波卡洪达斯三号煤层
在西弗吉尼亚州的这个煤层打了5个φ22.86cm直径的钻孔，其中一个孔采用水力压裂，压裂前瓦斯量为23.5m3/d，压裂后14个月期间，瓦斯量达到152.63m3/d的平均值。
由于波卡洪达斯三号煤层的透气性很小，即使进行压裂以后瓦斯量仍不大。
2、匹兹堡煤层
在四个地区向这个煤层打了21个垂直钻孔，四个钻孔都用胶状水加沙子作水力压裂。
压裂前，4个孔的瓦斯量在300~192.6m3/d之间，压裂后瓦斯量上升到0.012~0.0175km3/d之间。
在考察期间4个钻孔总共排出瓦斯1.2Mm3左右。
为考察压裂效果，在这个矿打了另外一个182m深的钻孔，压入27.6m3胶状水及1589kg沙子。
在井下生产见到沙子填充的裂隙：沿主裂缝方向发展的压裂裂缝的宽度是 3.2~12.7mm，长度是6.1m，沿此裂缝方向，它们宽12.7~63.5mm，长10.7m。
3、哈山煤层
在阿州豪也煤矿有50个垂直抽放钻孔打进这个煤层，五个钻孔中有三个出瓦斯，平均瓦斯量在23.22~169.9m3/d之间。
一个孔作了水力压裂，用胶状水作为压裂液，压裂后钻孔瓦斯量最高达232.2m3/d，平均为62.30m3/d。
在37个月期间，共排出瓦斯0.29Mm3。
4、城门三号煤层
犹他州有4个垂直钻孔打进这个煤层，钻孔瓦斯平均在2.83m3 /d以下，有一个钻孔用胶状水进行加砂压裂，压裂后瓦斯量上升到36.8m3/d，七个月时间平均瓦斯量为24.07m3/d。
在11个月中，4个钻孔共排出瓦斯0.007Mm3。
抽出瓦斯量少是因为煤层瓦斯含量小，透气性低和地下水的综合缘故。
在煤层开采过程中，通过对压裂情况进行实地考察发现，大部分压裂所造成的裂缝是垂直的，在煤层之内，垂直的裂缝深入到顶板岩层及煤层顶板接触处的水平裂缝，也都是可以见到的，但是到目前为止还没有发现它们对于顶板的稳定性有什么明显的影响。
通过美国所进行的大量试验来看，水力压裂技术对于埋藏深、瓦斯大的煤层能够取得较好的结果。
在美国的匹兹堡及玛丽里煤层，压裂钻孔的瓦斯流量能超过2.83Mm3/d。
但对于瓦斯含量少，透气性低的煤层，这项技术的应用就很不成功。
操作中的错误也会使瓦斯流量减小，要想油井一样的施工和维护，才能从这些钻孔获得较高的瓦斯流出量
（余申翰，1990）。
由于中国的绝大多数煤层属于低渗透煤层，采用水力压裂技术提高煤层气开采的效果不明显。
1998~1999年间，美国德士古公司在桃园矿、祁南矿、和孙磕矿施工了三口煤层气评价井，在三口井的评价基础上，选择在桃园矿南部气田施工5口煤气先导试验生产井组，后又追加2口井进行压裂排采。
因单井产量低，不具有商业开采价值，美国德士古公司于2002年终止了合同。
压裂井未能商业开发的主要原因是由于淮北矿区构造运动剧烈，煤层原生结构破坏严重，抽采目标煤层渗透性较差。
因此，尽管淮北地区煤层气资源丰富，具有良好的煤层气开发前景，但必须在解决低渗透煤层的煤层气开采技术后，才具有开采价值（吴建国，2005）。