煤与瓦斯突出矿井定向水力压裂卸压技术研究

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　　 摘要:在借鉴国内外煤与瓦斯突出矿井定向水力爆破和高压水力压裂技术的基础上，通过在沙曲矿24305尾巷4#煤层注水压裂的实例分析，提出了高压脉动定向水力压裂卸压技术，为煤与瓦斯突出防治工作提出了一种新的手段和方法。
　　 关键词:防治煤与瓦斯突出煤与瓦斯突出矿井定向水力压裂技术研究
　　 煤与瓦斯突出矿井低透气性煤层的开采往往伴随着大量瓦斯涌出，特别是随着煤炭生产的高效集约化和开采深度的增加，瓦斯涌出量越来越大，煤与瓦斯突出危险的威胁越来越严重，瓦斯灾害已成为制约高效集约化开采技术发展和安全生产的最重要因素。因此，如何有效地解决突出煤层在开采过程中的瓦斯突出和大量瓦斯涌出问题，对煤矿安全生产具有十分重要的意义。
　　 沙曲矿是煤与瓦斯突出矿井，瓦斯绝对涌出量在全国也是排名前列，2010年矿井绝对瓦斯涌出量鉴定结果为440.39m3/min，相对瓦斯涌出量为78.47 m3/t。先后被抚顺煤科院鉴定结果为：北翼2#煤+430m水平及以上区域无煤与瓦斯突出危险性；南翼3#煤+420m水平及以上区域无煤与瓦斯突出危险性；4#、5#、6#煤层均为突出煤层。因此，随着采深的不断增加，煤层瓦斯含量和瓦斯压力还在不断增加，部分掘进煤巷月进尺只有40～60m，存在一定的抽掘矛盾，瓦斯治理是制约沙曲矿高产高效安全生产的主要瓶颈。为有效解决煤与瓦斯突出及瓦斯综合治理的问题，必须采取合理、有效的防突措施。
　　 一、对煤体进行高压水力压裂
　　 通过钻孔向煤层压入液体（主要为水），当液体压入的速度远远超过煤层的自然吸水能力时，由于流动阻力的增加，进入煤层的液体压力就逐渐上升，当超过煤层上方的岩压时，煤层内原来的闭合裂隙就会被压开形成新的流通网络，煤层渗透性就会增加，当压入的液体被排出时，压开的裂隙就为煤层瓦斯的流动创造了良好条件。
　　 向钻孔注入高压水，一方面通过高压注水压力可以使水渗入到不同的裂隙孔隙中，增加煤体的润湿性高压水可以使得裂隙不断贯通、扩大，扩大润湿半径，最大范围地改变煤层的物理力学性质，使空白带内煤体卸压、增透和瓦斯排放有效影响范围扩大，提高钻孔瓦斯抽放效果；另一方面通过高压作用于煤体，可以最大限度的使得煤体力学性质发生改变。另外，高压水有利于游离高压瓦斯的排放，减少煤体中的瓦斯含量。
　　 一般认为煤层发生破裂的压力大小主要取决于地层的垂向压力。煤层破裂压力与煤层赋存深度之间的关系大致呈直线关系，可用下式表示：
　　 (1)
　　式中 ――煤层破裂压力，MPa；
　　H――煤层赋存深度，m。
　　 二、在有高压水的钻孔中实施脉动水力爆破
　　 将炸药置于受约束的有限水体(如充满水的炮孔)内，水通常被看做是不可压缩的介质，本身消耗的变形能很少，传压效果好，炸药在水中爆炸后,形成水中冲击波，还能产生爆炸气态产物所形成的高压气团的脉动（气泡脉动）作用。介质在冲击波作用下形成初次加载，达到一定的破坏程度，介质在高压脉动气泡振荡引起的二次应力波作用下进一步破坏,利用水作为传能介质来传递炸药爆炸时所产生的能量和压力和炸药在水中引起的气波效应，以此来破碎周围介质的爆破方法。最终多种作用使煤层突出危险性减低或消除。
　　 定向水力爆破充分发挥了爆炸力和水力的优势，并将它们的优势有机地结合起来，改善煤层透气性、提高瓦斯抽放率，从而达到卸压、增透防突的效果。最终多种作用使煤层突出危险性减低或消除。
　　 三、实施方法及关键技术研究
　　 1.实验室和理论研究分析定向水力破裂对煤体瓦斯流动的影响规律；理论分析水力破裂煤体时的注水压力、注水流量、压力变化等参数。
　　 2.钻孔高压脉动定向水力破裂的起裂机理、煤层注水压裂裂隙弱面的扩展延伸机理、压裂裂隙控制机理研究。
　　 3.现场实验研究开发水中脉动爆破技术。
　　 4.实验室实验并结合现场开发高压脉动定向水力破裂卸压防突技术。包括水力破裂时高压水的合理注水参数如：封孔工艺、注水压力、注水量、注水时间、煤体湿润半径、钻孔间距等。穿层钻孔径向、轴向分析及起裂位置的确定；水力破裂的技术工艺：如现场试验的工艺过程、压裂系统、结构与压裂参数。
　　 5.研制开发高压脉动定向水力破裂卸装备及其相关控制系统。主要包括高压水泵、防震压力表、流量计、高压橡胶管、高压封孔器及若干逆止阀、快速接头等。
　　 6.现场工业性实验。
　　 7.水力破裂煤层效果分析。研究高压脉动注水前后钻屑量法（S）、钻孔瓦斯涌出初速度法（q）或钻屑瓦斯解吸指标()等突出预测指标的变化，评价注水效果。对比水力破裂前后观测孔的浓度变化，绘制出表格及变化曲线图，分析其变化趋势，找出其规律，系统总结水力破裂技术。
　　 四、结论
　　 1.本文建立的煤与瓦斯突出矿井定向水力压裂卸压技术在理论上是合理的，在实际应用上是可行的。
　　 2.定向水力压裂卸压技术对钻孔的密封技术要求很到，钻孔的密封性应该能够承受20MPa以上的水压。
　　 3.煤层注水后，使煤体水分超过5%，可以使该巷道的煤与瓦斯突出危险降低30%以上。
　　 4.定向水力压裂卸压技术可以有效改变含瓦斯煤体的物理力学性质及瓦斯动力学特征，在一定程度上可以有效降低煤层突出危险性。
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