超高壓水力壓裂提高煤層透氣性技術(shù)研究報(bào)告.doc

高壓水力壓裂提高煤層透氣性技術(shù)研究報(bào)告超高壓水力壓裂提高煤層透氣性應(yīng)用研究技術(shù)報(bào)告目 錄1 前言12 研究目的與意義32.1問題的提出32.2研究?jī)?nèi)容42.3研究意義53 高壓水力壓裂提高煤層透氣性原理及適用性分析93.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀93.2 水力壓裂原理及適用性分析103.2.1高壓水對(duì)煤體結(jié)構(gòu)力學(xué)作用的定性分析123.2.2水力壓裂的適用性分析144 渝陽煤礦及7號(hào)煤層概況154.1礦井概況154.2 7號(hào)煤層基本物理性質(zhì)及實(shí)驗(yàn)測(cè)試174.3 7號(hào)煤層基本力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試244.4 7號(hào)煤層穿層鉆孔水力壓裂的可行性265 HTB500型壓裂泵組簡(jiǎn)介及調(diào)試295.1 HTB500型壓裂泵組簡(jiǎn)介295.2 HTB500型煤層壓裂泵泵組接收與地面調(diào)試325.3 高壓泵組的管路及其連接336 渝陽煤礦超高壓水力壓裂實(shí)驗(yàn)方案366.1 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)366.2鉆孔布置方案386.3 壓裂孔封孔及注漿設(shè)計(jì)406.3.1 壓裂孔封孔設(shè)計(jì)及注意事項(xiàng)406.3.2注漿封孔工藝426.4壓裂監(jiān)控設(shè)備布點(diǎn)446.5壓裂效果考查及參數(shù)測(cè)試方案446.6其他配套方案設(shè)計(jì)457 高壓水力壓裂過程及分析477.1前言477.2高壓水力壓裂過程477.3 高壓水力壓裂的壓力曲線分析518 壓裂效果考察及其分析528.1前言528.2 壓裂后檢驗(yàn)孔施工參數(shù)及數(shù)據(jù)記錄528.3 壓裂后鉆孔參數(shù)對(duì)比598.4壓裂有效范圍的考察618.5壓裂效果總結(jié)649 主要研究成果與創(chuàng)新點(diǎn)669.1研究成果669.2 創(chuàng)新點(diǎn)67681 前言重慶市能源投資集團(tuán)科技有限責(zé)任公司成立于2010年4月，為重慶市能源投資集團(tuán)下屬二級(jí)子公司，獨(dú)立法人，注冊(cè)資本2000萬元。下設(shè)工程勘察子公司，工程設(shè)計(jì)院，瓦斯研究院、項(xiàng)目管理部、技術(shù)服務(wù)部、資產(chǎn)結(jié)算中心、綜合辦公室等部門。在集團(tuán)公司領(lǐng)導(dǎo)下，科技公司圍繞集團(tuán)公司工作部署，按“實(shí)施科技興企戰(zhàn)略，支撐集團(tuán)跨越式發(fā)展”思路，不等不靠，一邊建章建制，一邊開展科研工作。2010年7月，集團(tuán)公司下達(dá)了“突出煤層高效抽采關(guān)鍵技術(shù)研究” 科研項(xiàng)目計(jì)劃，2011年2月，科技公司引進(jìn)了HTB500型高壓煤層瓦斯壓裂泵組。經(jīng)集團(tuán)公司和科技公司研究協(xié)商，決定在松藻煤電有限責(zé)任公司渝陽煤礦進(jìn)行首次超高壓水力壓裂試驗(yàn)，將集團(tuán)公司水治瓦斯水平提高到新的高度。科技公司根據(jù)集團(tuán)公司水治瓦斯的指導(dǎo)思想，在松藻煤電有限責(zé)任公司及其所屬渝陽煤礦、河南理工大學(xué)、寶雞航天動(dòng)力泵業(yè)有限責(zé)任公司的協(xié)助下，于2011年2月份在渝陽煤礦用HTB500型煤層壓裂泵泵組開展了超高壓水力壓裂試驗(yàn)。渝陽煤礦超高壓水力壓裂試驗(yàn)在N3704西瓦斯巷(下)進(jìn)行，埋深約750m，目的是對(duì)7號(hào)煤層（保護(hù)層）進(jìn)行穿層超高壓水力壓裂，實(shí)現(xiàn)增大煤層透氣性、提高瓦斯抽采率、降低瓦斯災(zāi)害事故的效果。試驗(yàn)過程中，共施工壓裂孔1個(gè)、標(biāo)準(zhǔn)孔1個(gè)（補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)孔1個(gè)）、檢驗(yàn)孔15個(gè)（因施鉆不到位、卡鉆，其中2個(gè)報(bào)廢）。渝陽煤礦超高壓水力壓裂試驗(yàn)表明，壓裂地點(diǎn)的起裂壓力在4045MPa之間，延伸壓力在3639MPa之間，壓裂后瓦斯抽采純量效率提高10倍以上，煤層由難以抽采煤層及可抽煤層變?yōu)榭沙椴擅簩?，煤層透氣性系?shù)提高50倍以上。7號(hào)煤層在該埋深條件下，壓入水量109.72m時(shí)，壓裂范圍達(dá)到5070m。2 研究目的與意義2.1問題的提出煤層瓦斯是一種潔凈能源，但對(duì)煤礦生產(chǎn)而言是一種災(zāi)害源。如何實(shí)現(xiàn)采煤之前瓦斯的預(yù)抽，達(dá)到資源開發(fā)利用和煤礦減災(zāi)的雙重目的，一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著資源需求的日益強(qiáng)烈、礦井開采深度的增加以及國家一系列關(guān)于煤礦瓦斯災(zāi)害治理強(qiáng)制措施和煤層氣開發(fā)利用鼓勵(lì)政策的出臺(tái)，都迫切要求有一套系統(tǒng)的、完整的瓦斯抽采工藝技術(shù)。新的防突規(guī)定更加強(qiáng)調(diào)了區(qū)域瓦斯治理的重要性，要求“不掘突出頭、不采突出面”，以往突出煤層掘進(jìn)的“四位一體”方案已經(jīng)難以滿足新規(guī)定的要求。重慶能投有限責(zé)任公司所屬的渝陽煤礦所采煤層為突出煤層，瓦斯災(zāi)害是制約煤礦安全、高效生產(chǎn)的第一因素，現(xiàn)行的瓦斯治理措施已難以滿足高效生產(chǎn)的需求，迫切需要一種新型區(qū)域和局部治理工藝，以徹底改變目前消突困難、工作面接替緊張的局面。水力壓裂是一種集區(qū)域和局部瓦斯治理為一體的新工藝。該工藝是將地面煤層氣開發(fā)的一種成熟技術(shù)移植到井下，根據(jù)煤體結(jié)構(gòu)的不同采用不同的壓裂方案，達(dá)到增透、提高抽采效率、縮短抽采時(shí)間的目的。水力壓裂是一種適應(yīng)性強(qiáng)、增透效果明顯的工藝技術(shù)，但還存在一系列問題需要解決，最突出的是封孔技術(shù)，無論是封隔器封孔、水泥砂漿封孔、化學(xué)材料封孔都存在一定的局限性，是制約水力壓裂大規(guī)模推廣的關(guān)鍵。在鉆孔方向與裂隙方向、地應(yīng)力方向不匹配時(shí)的壓裂設(shè)計(jì)也是制約壓裂效果的重要因素。渝陽煤礦煤層瓦斯含量大，煤層透氣性系數(shù)低，井下鉆孔抽采效果差，嚴(yán)重制約了瓦斯治理和防突效果，影響了工作面的銜接和安全生產(chǎn)。為增大煤層的透氣性和提高抽采效果，進(jìn)一步解放生產(chǎn)力，保證礦井的建設(shè)和發(fā)展，通過大量的調(diào)查、研究和翻閱各種技術(shù)資料，決定實(shí)施井下高壓水力壓裂。本次在渝陽煤礦N3704西瓦斯巷(下)實(shí)施穿層鉆孔水力壓裂，力求增大7號(hào)煤層透氣性，提高7號(hào)煤層的瓦斯抽采效率，進(jìn)而通過解放7號(hào)煤層對(duì)主采8號(hào)煤層形成保護(hù)作用，改善由于瓦斯制約而不利于生產(chǎn)的被動(dòng)局面，加強(qiáng)安全生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，積極探索通過水力壓裂治理瓦斯的新途徑。2.2研究?jī)?nèi)容本項(xiàng)目的研究主要內(nèi)容包括：（1）研究煤巖層高壓水力壓裂的基本原理及水高壓力壓裂技術(shù)的適用性，調(diào)試HTB500型煤層壓裂泵組，為應(yīng)用高壓水力壓裂技術(shù)增大煤層透氣性試驗(yàn)做好準(zhǔn)備（2）測(cè)定渝陽煤礦考察地點(diǎn)的7號(hào)煤層基本物理力學(xué)參數(shù)，主要包括7號(hào)煤層的透氣性系數(shù)、瓦斯含量、吸附常數(shù)、堅(jiān)固性系數(shù)、抗壓強(qiáng)度等； （3）制定渝陽煤礦高壓水力壓裂方案，設(shè)計(jì)最佳注漿、封孔工藝，并研究考察高壓水力壓裂效果方案；（4）沿煤層走向和傾向上，在壓裂孔周邊通過施工檢驗(yàn)孔，考察高壓水力壓裂的范圍；（5）沿煤層走向和傾向上，在壓裂孔周邊通過施工檢驗(yàn)孔，考察高壓水力壓裂后瓦斯抽放濃度、抽放純量和鉆孔瓦斯衰減情況；（6）在上述研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)高壓水力壓裂增大煤層透氣性、提高瓦斯抽放率的效果，為應(yīng)用高壓水力壓裂技術(shù)增大煤層透氣性、提高瓦斯抽采效率推廣做好準(zhǔn)備工作。項(xiàng)目研究思路：先施工標(biāo)準(zhǔn)孔（或借助相鄰?fù)咚瓜锎涌祝?，測(cè)定未進(jìn)行水力壓裂的7號(hào)煤層參數(shù)。用HTB500型煤層壓裂泵組對(duì)壓裂孔進(jìn)行高壓水力壓裂，使7號(hào)煤層中形成裂隙，通過施工一系列檢驗(yàn)孔并考察各孔參數(shù)及出水情況，與原始標(biāo)準(zhǔn)孔或相鄰?fù)咚瓜锎涌椎膮?shù)進(jìn)行對(duì)比。從而考察高壓水力壓裂前后煤層透氣性系數(shù)變化和瓦斯抽放情況的區(qū)別，得出高壓水力壓裂技術(shù)增大煤層透氣性、提高瓦斯抽采率的結(jié)論。2.3研究意義煤儲(chǔ)層的低滲特性是煤礦瓦斯抽采的瓶頸，提高煤儲(chǔ)層的滲透性是解決問題的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的低滲煤儲(chǔ)層瓦斯抽采只有依靠降低鉆孔間距、增加鉆探工程量、延長(zhǎng)抽采時(shí)間等措施來實(shí)現(xiàn)，但抽采效果并不理想，表現(xiàn)在抽采濃度低，抽采率不達(dá)標(biāo)，造成煤礦采掘接替緊張，回采和掘進(jìn)過程中瓦斯超限頻繁，安全隱患嚴(yán)重，這與構(gòu)建本質(zhì)安全型礦井不相符合，亟需新的瓦斯抽采手段來改變這種困境。本項(xiàng)目旨在將地面煤層氣開發(fā)的水力壓裂工藝移植到井下，建立一種新型的瓦斯抽采工藝煤礦井下鉆孔水力壓裂抽采瓦斯的理論與技術(shù)，實(shí)現(xiàn)未卸壓狀態(tài)下的煤儲(chǔ)層增透，從根本上解決瓦斯抽采困難的局面。進(jìn)行水力壓裂增大煤層透氣性、提高瓦斯抽放率的研究意義如下：（1）水力壓裂是一項(xiàng)在未卸壓條件下實(shí)施煤儲(chǔ)層增透技術(shù)，有利于煤礦瓦斯抽采，實(shí)現(xiàn)區(qū)域消突。我國95%以上的高瓦斯和突出礦井所開采的煤層屬于低透氣性煤層，滲透性系數(shù)在10-310-4 md數(shù)量級(jí)上，瓦斯抽放（特別是預(yù)抽）半徑小、封孔困難，瓦斯抽采濃度低，造成抽采率低下，瓦斯超限頻繁，對(duì)煤礦通風(fēng)造成巨大壓力，嚴(yán)重威脅煤礦的生產(chǎn)安全。將地面煤層氣開發(fā)的水力壓裂強(qiáng)化技術(shù)移植到井下，實(shí)現(xiàn)未卸壓條件下煤層增透、增大抽放半徑，減少鉆探工程量，提高抽采濃度和抽采效率，縮短抽采時(shí)間、最大限度消除瓦斯災(zāi)害，具有節(jié)省資金，減少投資，見效快的特點(diǎn)，為煤礦安全、高效生產(chǎn)提供保障。（2）水力壓裂注入水對(duì)煤基質(zhì)內(nèi)部的瓦斯有“封堵”作用，增加煤層瓦斯殘余量，減少煤炭回采過程中瓦斯的瞬時(shí)大量涌出，有利于煤礦井下瓦斯抽采。水力壓裂增透僅僅是新形成的裂縫附近滲透率得到極大改善，即導(dǎo)流能力得到加強(qiáng)，但是煤基質(zhì)內(nèi)部的滲透率并沒有發(fā)生變化，而煤層注水后形成的水化膜和毛細(xì)管壓力又增加了啟動(dòng)壓力梯度，滲透率越低啟動(dòng)壓力梯度越大，對(duì)瓦斯涌出的抑制作用越明顯。煤層注水抑制瓦斯涌出在“水法采煤”中也得到了佐證，其瓦斯的相對(duì)涌出量一般要比“旱法采煤”低30%以上，因此水力壓裂在增透的同時(shí)而降低了煤層瓦斯的涌出量，兩者并不矛盾，而是相輔相成。因此煤礦井下水力壓裂在增透的同時(shí)還起到抑制瓦斯涌出的作用，有利于煤礦井下瓦斯的抽采。（3）水力壓裂注入水能夠煤的力學(xué)性質(zhì)，減弱了“硬煤”的力學(xué)強(qiáng)度，有利于井下采煤，增強(qiáng)了“軟煤”的力學(xué)強(qiáng)度，有利于防治煤與瓦斯突出。煤層如果屬于“硬煤”（原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤），煤體結(jié)構(gòu)致密，力學(xué)強(qiáng)度對(duì)采煤效率影響較大，例如放頂煤采煤時(shí)，如果煤體強(qiáng)度過大還可能出現(xiàn)放頂困難，而煤層注水后，水順著裂隙、孔隙進(jìn)入煤中，濕潤煤塊。水分子的侵入，削弱了顆粒間的聯(lián)系，使得煤的力學(xué)性質(zhì)降低，將提高放頂煤開采中頂煤回收率。煤層如果屬于“軟煤”（碎粒煤甚至糜棱煤），力學(xué)強(qiáng)度很小，易發(fā)生煤與瓦斯突出，又稱“突出煤”，但煤層注水后，煤顆粒之間隨著散體含水量的增大，整體的剪切強(qiáng)度增加，對(duì)防治煤與瓦斯突出是有利的。（4）高壓水能改變局部原始應(yīng)力狀態(tài)，促使瓦斯壓力和地應(yīng)力兩場(chǎng)實(shí)現(xiàn)“均一化”，有助于防治煤與瓦斯突出和沖擊地壓的發(fā)生。煤礦井下水力壓裂是在高壓水作用下，劈開煤儲(chǔ)層形成裂縫的一種“外載荷作用”，水力壓裂的高壓水將在一定范圍內(nèi)改變煤儲(chǔ)層的原始應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)其應(yīng)力場(chǎng)都是一種嚴(yán)重的擾動(dòng)。這種高壓外載荷有助于使煤儲(chǔ)層的應(yīng)力場(chǎng)和壓力場(chǎng)在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)均一化，避免在某一點(diǎn)或某一方向過于集中，在某種程度上也是實(shí)現(xiàn)區(qū)域消突的有力手段。因此井下水力壓裂有助于煤儲(chǔ)層應(yīng)力場(chǎng)和壓力場(chǎng)的均一化，是防治煤與瓦斯突出和沖擊地壓的有效手段。（5）水力壓裂泵注入的大量清水濕潤煤體，有助于降低煤塵，改善工作環(huán)境，避免煤塵爆炸。煤塵是煤礦主要災(zāi)害之一，超標(biāo)的煤塵不但損害井下工人健康，增加塵肺發(fā)病率，甚至導(dǎo)致煤塵爆炸，特別是瓦斯爆炸時(shí)，煤塵一旦參與，事故會(huì)更加嚴(yán)重，因此井下降塵是避免煤塵災(zāi)害的重要措施。水力壓裂泵注的大量水可以濕潤煤體，煤塵間的液體橋聯(lián)力促使塵粒凝聚變大，并迅速沉降，起到井下防塵的作用。（6）實(shí)施煤礦井下水力壓裂增透可以提高抽采瓦斯?jié)舛?，?shí)現(xiàn)抽采瓦斯商品化，減少排空對(duì)環(huán)境的污染。我國特別是南方礦井煤儲(chǔ)層滲透性低，鉆孔抽采瓦斯存在封孔難，漏氣嚴(yán)重，抽采瓦斯的濃度達(dá)不到商品要求而被大量排空，既浪費(fèi)資源又污染環(huán)境。甲烷濃度低于30%就屬低濃度瓦斯，目前國內(nèi)主要用于輔助燃燒，但利用率極低，安全輸送（主要有細(xì)水霧輸送和氣水二相流輸送）仍是亟待解決的難題。通過水力壓裂改變儲(chǔ)層低滲狀態(tài)對(duì)提高抽采瓦斯?jié)舛扔兄匾囊饬x。綜上所述，研究水力壓裂移植到井下進(jìn)行瓦斯抽采的相關(guān)理論和技術(shù)，在理論和生產(chǎn)實(shí)際兩個(gè)方面都具有重要意義。用高壓水力壓裂的方法增大煤層透氣性、提高瓦斯抽采率，還有以下資源意義和經(jīng)濟(jì)意義：（1）資源意義隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人民生活水平的提高，將會(huì)對(duì)瓦斯這種潔凈能源的需求將越來越大。井下水力壓裂顯著增加了煤層的透氣性，在無需過高抽采負(fù)壓的情況下即可實(shí)現(xiàn)有效抽采，加上封孔技術(shù)的改進(jìn)，可最大限度降低抽采過程中的漏氣現(xiàn)象，提高抽采瓦斯?jié)舛龋瑸橥咚沟睦玫於ɑA(chǔ)。（2）經(jīng)濟(jì)意義減少了瓦斯抽采鉆探工程量和采煤過程中的通風(fēng)量，進(jìn)而產(chǎn)生直接與間接經(jīng)濟(jì)效益； 減少巖巷掘進(jìn)量； 獲取較高濃度瓦斯，便于加工利用，能夠獲取直接經(jīng)濟(jì)效益； 通過CDM出售減排指標(biāo)獲取間接經(jīng)濟(jì)效益； 提高煤礦安生成產(chǎn)效率，產(chǎn)生間接經(jīng)濟(jì)效益。3 高壓水力壓裂提高煤層透氣性原理及適用性分析3.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在煤礦井下煤層增透抽采瓦斯領(lǐng)域，現(xiàn)行的抽采工藝可概括為兩個(gè)方面：卸壓增透抽采和未卸壓抽采。前者需要采掘工程先行，如保護(hù)層開采、高位鉆孔抽采、地面采動(dòng)區(qū)抽采等。未卸壓抽采完全取決于煤層透氣性。本項(xiàng)目實(shí)施的水力壓裂實(shí)現(xiàn)了未卸壓增透抽采。目前，在未卸壓抽采煤礦瓦斯（煤層氣）領(lǐng)域國內(nèi)外取得了如下進(jìn)展。世界煤層氣地面開發(fā)經(jīng)歷了30余年的歷史，基本形成了一套系統(tǒng)的工藝技術(shù)。我國在經(jīng)歷了20余年艱苦探索后，在山西的沁水盆地、河?xùn)|煤田、遼寧的阜新等地區(qū)實(shí)現(xiàn)了局部商業(yè)化開發(fā)。而支撐整個(gè)煤層氣行業(yè)的是地面垂直井水力壓裂完井工藝，盡管叢式井和水平分支井也在積極的試驗(yàn)，但苛刻的地質(zhì)與施工要求，在近期內(nèi)難以大規(guī)模推廣。無論是上述哪種完井工藝，都要求煤層氣儲(chǔ)層為原生結(jié)構(gòu)或碎裂結(jié)構(gòu)。因?yàn)椋挥写祟悆?chǔ)層可進(jìn)行壓裂強(qiáng)化增透。而對(duì)于碎粒煤和糜棱煤儲(chǔ)層，由于其自身的力學(xué)性質(zhì)決定了無法煤層本身進(jìn)行壓裂改造，目前還是地面煤層氣開發(fā)的禁區(qū)。針對(duì)這種軟煤，河南理工大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)等提出了虛擬儲(chǔ)層強(qiáng)化工藝，即對(duì)不可進(jìn)行本煤層壓裂的煤層，對(duì)其頂板或底板圍巖進(jìn)行壓裂，煤層中的瓦斯以擴(kuò)散形式運(yùn)移到頂?shù)装辶严吨袕亩怀椴?。這種工藝近期在山西古交、陜西韓城地面煤層氣開發(fā)井得到了成功試驗(yàn)，在河南鶴壁、陽泉井下鉆孔煤層壓裂取得的初步成功，在河南鶴壁井下鉆孔虛擬儲(chǔ)層壓裂試驗(yàn)取得初步效果。瓦斯治理方法眾多，如區(qū)域治理措施中的保護(hù)層開采、地面采空區(qū)抽采等，但局限性大，效果差異懸殊。瓦斯治理主要手段為抽采，最常用的是把煤層作為抽采對(duì)象。但是，對(duì)于原生結(jié)構(gòu)和碎裂煤而言，天然裂隙的連通性較差，且鉆進(jìn)過程中井孔附近存在污染，如果不采取增透措施，抽采效果差。突出煤層往往為滲透性極差、強(qiáng)度極低的碎粒煤和糜棱煤，直接從其中抽采瓦斯不僅鉆進(jìn)困難，而且抽采效果差，鉆孔抽采半徑非常小、封孔困難致使抽采瓦斯?jié)舛入y以長(zhǎng)期穩(wěn)定。往往以密集布孔、高工程投入為代價(jià)進(jìn)行抽采。各種水力化措施，特別是水力擠出在煤巷掘進(jìn)消突中起到了一定作用，但也存在不盡人意的方面。目前井下鉆孔水力化增透盡管取得了一定效果，但不夠顯著，尚沒有達(dá)到期望的效果，且存在誘發(fā)突出的可能，所以難以得到廣泛推廣。從井下鉆孔本煤層水力擠出試驗(yàn)看，當(dāng)壓力經(jīng)過最大值，煤體破裂后，注入流量急劇增加，這時(shí)正是裂縫延伸階段，但卻停泵。原因有三：一是觀念上的錯(cuò)誤，認(rèn)為此時(shí)煤體已經(jīng)破裂，透氣性已經(jīng)增加，無需進(jìn)一步壓裂；二是由于泵的能力有限，沒有采用大排量泵注，壓裂液嚴(yán)重濾失，達(dá)不到擴(kuò)展、延伸裂縫的目的。如果此時(shí)采用大排量泵繼續(xù)注入，裂縫會(huì)大規(guī)模延伸，可能還會(huì)出現(xiàn)第二次破裂，這樣才可達(dá)到增加單孔抽采半徑和抽采效率的目的。這正是以往壓裂存在的核心問題，也是本項(xiàng)目要重點(diǎn)突破的難題；第三是對(duì)煤層水力壓裂原理認(rèn)識(shí)還不夠深入，從水力擠出的封孔位置、壓裂對(duì)象、壓裂結(jié)果而言，還存在不能用壓裂原理解釋的現(xiàn)象。同時(shí)水力擠出為淺孔、在軟煤中進(jìn)行，以松動(dòng)煤體增透為基礎(chǔ)。3.2 水力壓裂原理及適用性分析井下水力壓裂的基本原理將壓裂液（清水）高壓注入煤巖層，克服最小主應(yīng)力和煤巖體的破裂壓力，使得煤層中原有的裂縫充分張開、延伸、相互溝通，達(dá)到增透、導(dǎo)流的目的。水力壓裂的壓力時(shí)間曲線反映了水力壓裂的原理，典型的水力壓裂（加砂）曲線如圖3-1所示。圖 3-1 典型水力壓裂的壓力曲線在圖3-1中，各符號(hào)意義如下：延伸壓力PE應(yīng)為：PE= PE、+Pf-PW （3-1）式中：PE延伸時(shí)的壓力；Pf壓裂孔中的摩擦壓降；PW壓裂孔中靜液柱壓力；在施工結(jié)束或在其他時(shí)間停泵時(shí)的壓力成為瞬時(shí)關(guān)閉壓力PISI。瞬時(shí)關(guān)閉壓力加上靜液柱壓力即為停泵后瞬時(shí)井底的延伸壓力，即PE、=PISI+PW （3-2）停泵后壓裂孔及裂縫中的流動(dòng)全部停止，可以看出，停泵前后的壓力差PE- PISI正是各處的流動(dòng)阻力。裂縫的閉合壓力PC是裂縫剛剛能夠張開或恰好沒有閉合的壓力，縫中閉合壓力應(yīng)為：PC=、min+PS （3-3）式中：、min地層中最小有效主應(yīng)力；PS裂隙液壓力。由于、min=min- PS，因此有:PC=min- PS+ PS=min （3-4）上式說明裂縫閉合壓力等于地層最小主應(yīng)力。由壓裂曲線可知，在壓裂初期施工壓力急劇增加，當(dāng)達(dá)到破裂壓力（F點(diǎn)）后，煤巖體發(fā)生破裂，施工壓力下降。但此時(shí)僅僅是裂縫破裂而已，還沒有充分延伸，如果此時(shí)中斷壓裂，增透效果并不明顯，還需繼續(xù)注入壓裂液使裂縫充分延伸。當(dāng)壓裂泵停止工作之后，由于注水壓力迅速降低，裂縫開始閉合，但在這個(gè)過程中裂縫還在延伸，圖中C點(diǎn)對(duì)應(yīng)裂縫閉合的壓力。隨著壓力再次降低，壓力時(shí)間曲線在S點(diǎn)之后趨于平穩(wěn)，S點(diǎn)對(duì)應(yīng)地層壓力。由壓裂曲線可知，在壓裂初期施工壓力急劇增加，當(dāng)達(dá)到破裂壓力后，煤巖體發(fā)生破裂，施工壓力下降。但此時(shí)僅僅是裂縫破裂而已，還沒有充分延伸，如果此時(shí)中斷壓裂，增透效果將不會(huì)明顯。還需繼續(xù)注入壓裂液使裂縫充分延伸。理論上只要裂縫能夠在壓裂層段內(nèi)延伸，不進(jìn)入頂?shù)装?，注入的壓裂液越多越有利。?shí)驗(yàn)室試驗(yàn)也得到了同樣的結(jié)論，在壓力最大、聲發(fā)射最強(qiáng)時(shí)，氣體產(chǎn)出速率最低，當(dāng)破裂后壓力降低階段（也是裂縫延伸階段），氣體產(chǎn)出速率快速增加。3.2.1高壓水對(duì)煤體結(jié)構(gòu)力學(xué)作用的定性分析高壓水注入煤層中存在兩種情況：一種是進(jìn)入具有彈性的原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤，一種是進(jìn)入塑性的碎粒煤和糜棱煤。（1）原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤水力壓裂對(duì)于彈性體水力壓裂而言，其原理是將流體以大于地層濾失速率的排量、克服最小地應(yīng)力、流體壓力和巖體抗拉強(qiáng)度注入煤巖體，使原有的裂縫進(jìn)一步的擴(kuò)張、并形成新的裂縫，造成一個(gè)相互連通的裂縫體系，最終增加煤體的滲透性，達(dá)到加速瓦斯產(chǎn)出的目的。高壓水進(jìn)入此類煤體時(shí)，壓裂過程可描述為“壓裂充水張開再壓裂再充水張開”。煤層注水壓裂破壞正是借助流水在煤層各級(jí)弱面壓裂充水，借助弱面兩壁面的支撐作用，使弱面發(fā)生張開、擴(kuò)展和延伸，從而對(duì)煤層形成內(nèi)部分割。圖3-2 高壓水進(jìn)入彈性煤體壓開示意圖（1級(jí)弱面；2二級(jí)弱面；3三級(jí)弱面）高壓水在具有彈性的原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤層中的運(yùn)動(dòng)過程可表示為圖3-2。通過以上分析，高壓水在彈性煤體中的壓裂過程，主要依賴于煤體的彈性作用以及弱面的支撐作用。（2）塑性階段煤體水力壓裂高壓水進(jìn)入此類煤體時(shí)時(shí)，可描述為“尋找最弱縫隙撐開再尋找最弱裂縫”，但值得注意的是，這個(gè)過程是在很小尺度上進(jìn)行的。圖3-3 高壓水進(jìn)入塑性煤體“壓開”示意圖（1壓力集中點(diǎn)；2最弱面；3穿刺點(diǎn)）經(jīng)過積累最終形成宏觀。由于煤體被破壞成塑性材料，已經(jīng)不存在原生的規(guī)則裂隙，高壓水進(jìn)入后不能“循規(guī)蹈矩”，而是在某點(diǎn)形成壓力集中，當(dāng)壓力再次上升，又尋找下一個(gè)壓力集中點(diǎn)，這些壓力集中點(diǎn)的軌跡就形成了高壓水的“壓裂裂縫”，由于在每個(gè)點(diǎn)只能存在一個(gè)最弱裂縫，因此“壓裂裂縫”也表現(xiàn)為單一樣式，可表示為圖3-3。3.2.2水力壓裂的適用性分析通過以上分析，煤體破碎程度在BD段（見圖3-4）時(shí)，煤層氣最易產(chǎn)出，此段稱之為最佳滲透率煤體結(jié)構(gòu)窗口，所有水力壓裂工作的目標(biāo)就是要使煤體結(jié)構(gòu)達(dá)到這個(gè)窗口階段，位于該階段的煤體進(jìn)行壓裂可使裂縫寬度和連通性進(jìn)一步增加。由于煤體處于不同的結(jié)構(gòu)階段，因此，水力壓裂也具有一定的適用性（見表2-1）。圖3-4 煤體結(jié)構(gòu)與應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系表2-1 水力壓裂的適用性煤體結(jié)構(gòu)是否適用于水力壓裂原因原生結(jié)構(gòu)煤適用需要開啟裂縫碎裂煤較適用可通過壓裂增透碎粒煤不適用無法產(chǎn)生有用裂縫糜棱煤不適用無法產(chǎn)生有用裂縫4 渝陽煤礦及7號(hào)煤層概況4.1礦井概況渝陽煤礦屬南桐煤田大坪子井田范圍。位于重慶市松藻礦區(qū)中部，緊臨渝黔交界處，行政區(qū)劃屬重慶市綦江縣安穩(wěn)鎮(zhèn)和石壕鎮(zhèn)所轄。地理坐標(biāo)為東經(jīng)1064010646，北緯28342840。主井口坐標(biāo)X：3167255.169，Y：36373136.887。高程：470.045m。評(píng)價(jià)區(qū)：南以原勘探標(biāo)高0m為界，西以羊叉河與打通一礦為界，北以-200m標(biāo)高與小漁沱井田為界，東以羊叉灘背斜軸為界。評(píng)價(jià)區(qū)呈一東西向長(zhǎng)條帶形分布，走向長(zhǎng)5700m，傾向?qū)?10940m，面積4.70Km2。渝陽煤礦始建于1966年，1971年投產(chǎn)，設(shè)計(jì)井型45萬噸/年，采用斜井開拓。工業(yè)廣場(chǎng)及主、副斜井和回風(fēng)平硐建在金雞巖，在楊地灣設(shè)副工業(yè)廣場(chǎng)，建有副井一對(duì)（供人行及提矸石用）和310總回風(fēng)斜井。運(yùn)輸大巷設(shè)計(jì)在距M12煤層之下40m的茅口石灰?guī)r中。開采方式為傾斜長(zhǎng)壁式。薄煤層、中厚煤層均為綜采，機(jī)械通風(fēng)，水泵排水，膠帶輸送機(jī)連續(xù)運(yùn)煤、電機(jī)車運(yùn)矸，絞車提升、礦燈照明。圖4-1 北三區(qū)地層綜合柱狀圖渝陽煤礦所在礦區(qū)含煤地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M屬海陸過渡帶潮坪深湖碳酸鹽臺(tái)地內(nèi)側(cè)海沉積體系成煤環(huán)境,煤系地層見圖4-1。渝陽煤礦投產(chǎn)以來，主采煤層為8號(hào)和7號(hào)煤層， 6-3號(hào)和11號(hào)煤層次之，采空面積10.25Km2。采區(qū)回采率85.3%，礦井回采率61%，投產(chǎn)以來產(chǎn)出煤量1787.03萬噸。開采煤層厚度：6-3號(hào)煤層01.13m，平均0.54m； 7號(hào)煤層01.40m，平均0.80m，在N3704西瓦斯巷上方位置處，厚度為0.84m； 8號(hào)煤層0.94.44m，平均2.35m； 11號(hào)煤層01.20m，平均0.70m。8號(hào)煤層為全區(qū)可采， 7號(hào)為大部分可采， 6-3號(hào)和11號(hào)煤層為局部可采。該礦主要可采的為8號(hào)煤層，大部分可采的7號(hào)煤層，局部可采的6-3號(hào)煤層、11號(hào)煤層。各煤層厚度最小值、最大值及平均值見表4-1。表4-1 渝陽煤礦各煤層厚度表煤層6-3781112最小-最大（m）01.450.661.032.363.780.271.760.420.93平均（m）1.020.842.960.670.60該礦井為煤與瓦斯突出礦井，保護(hù)層以7號(hào)煤層為主，6-3號(hào)煤層及11號(hào)煤層為次、8號(hào)煤層為被保護(hù)層。目前開采最低水平為+150m，最大開采深度555m；茅口運(yùn)輸大巷已下至標(biāo)高-200m，為延深開拓作準(zhǔn)備。2002年隨著安穩(wěn)電廠（坑口電站）的建設(shè)，該礦于安穩(wěn)電站附近又開拓了皮帶斜井，斜井井口坐標(biāo)X：3169927.22，Y：36377551.47，H：492.24m，井口層位為三疊系下統(tǒng)嘉陵江組四段上部（T1j4），坡度16，落平標(biāo)高+150m，準(zhǔn)備開采+150+355m和+150-200m標(biāo)高間煤層，直接供安穩(wěn)電廠發(fā)電。4.2 7號(hào)煤層基本物理性質(zhì)及實(shí)驗(yàn)測(cè)試4.2.1 7號(hào)煤層基本性質(zhì)（1）概述7號(hào)煤層總厚0.661.03m，平均0.84m，中段136-6、CK4號(hào)孔揭露煤層不達(dá)可采厚度，其余全部達(dá)可采厚度。本煤層為簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)薄煤層，半暗型煤、瀝青光澤，性堅(jiān)硬，參差狀斷口，節(jié)理發(fā)育。煤層可采性指數(shù)0.71，厚度標(biāo)準(zhǔn)差0.266，變異系數(shù)33，為較穩(wěn)定的大部分可采煤層。整體上看，M7煤層為半亮半暗型煤，呈碎塊狀塊狀，較硬，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。該煤層原煤發(fā)熱量26.2126.25MJ/kg，屬高熱值煤。發(fā)熱量的高低與煤層灰分含量成正比，即煤層灰分含量低、則發(fā)熱量高，反之，則發(fā)熱量低。根據(jù)國家安全生產(chǎn)重慶礦用設(shè)備檢測(cè)檢驗(yàn)中心2009年9月24日對(duì)渝陽煤M7煤層的自燃發(fā)火傾向檢驗(yàn)結(jié)論：依據(jù)BG/T217-1996煤的真相對(duì)密度測(cè)定方法、GB/T20104-2006煤自燃傾向性色譜吸氧鑒定法所檢樣品煤層的自燃傾向性等級(jí)為類，屬不易自燃煤。7號(hào)煤層為突出煤層，一般選擇該煤層為上保護(hù)層超前開采。礦井各煤層瓦斯含量較高，煤層透氣性極差，瓦斯涌出量大。+335m開采水平實(shí)測(cè)7號(hào)煤層瓦斯壓力為1.94Mpa，瓦斯含量達(dá)15.68m3/t，孔隙率達(dá)15.652%。在N3704西瓦斯巷進(jìn)行高壓水力壓力之前進(jìn)行了施工了標(biāo)準(zhǔn)鉆孔，施工地點(diǎn)埋深750m左右，施工過程中對(duì)7號(hào)煤層進(jìn)行了取樣，并測(cè)試7號(hào)煤層的基本參數(shù)。7號(hào)煤層的工業(yè)成分分析見表4-2。表4-2 7號(hào)煤層的工業(yè)成分表MadAdVdFcdStdQgr.ad(MJ/Kg)最小值0.6219.468.6349.462.6122.90最大值2.1439.5111.0370.593.9127.96平均值1.4824.729.6765.602.9826.21（2）吸附常數(shù)及煤層瓦斯含量的測(cè)定煤的吸附參數(shù)a、b值測(cè)定在煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院的HCA型高壓容量法吸附系統(tǒng)上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)時(shí)煤樣經(jīng)過粉碎后，用6080目的篩子進(jìn)行篩去0.20.25mm的煤樣，真空干燥后，在恒溫狀態(tài)下放入吸附缸進(jìn)行脫氣，向吸附缸內(nèi)沖入一定壓力的甲烷氣，使吸附缸內(nèi)的壓力達(dá)到平衡，部分氣體被吸附，部分群體以游離狀態(tài)處于死體積中，已知充入的甲烷體積，扣除死空間的有力體積，即為吸附體積。重復(fù)這樣的試驗(yàn)，就可以得到各壓力段平衡壓力與吸附體積量，連接起來即為吸附等溫線，從而求得吸附參數(shù)a、b值。試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果表明，7號(hào)煤層的a、b值分別為20.4352m3/t、0.9873MPa-1。煤層瓦斯含量是計(jì)算瓦斯儲(chǔ)量與涌出量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也是考察水力壓裂效果、預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的重要參數(shù)，準(zhǔn)確測(cè)定煤層瓦斯含量有重要意義。煤礦一般用DGC瓦斯快速含量測(cè)定儀測(cè)算煤層瓦斯含量，測(cè)定方法如下：通過記錄煤樣從鉆孔煤層深部取出到封入煤樣筒中的時(shí)間，結(jié)合在井下及時(shí)測(cè)量煤樣筒中煤芯的瓦斯解吸速度及瓦斯解吸量，來推算煤芯封入煤樣筒之前的損失瓦斯含量（W1）；將煤樣筒帶到地面實(shí)驗(yàn)室后，測(cè)量從煤樣筒中的煤芯瀉出瓦斯量，與井下測(cè)得的瓦斯解吸量一起計(jì)算出煤芯瓦斯解吸量（W2）；稱取煤樣筒中的部分煤芯（與全部煤樣具有相似性）兩份，逐份裝入密封的粉碎裝置中加以粉碎，測(cè)量在粉碎過程中（粉碎時(shí)間35min）及粉碎后一段時(shí)間（約5min）內(nèi)所解吸出瓦斯量，并以此為基準(zhǔn)計(jì)算出全煤芯在粉碎后的瓦斯解吸量（W3）；常壓吸附瓦斯含量（Wc）為常壓下煤樣吸附的瓦斯含量，為常壓不可解吸量，可采用朗格繆爾方程在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力條件下進(jìn)行計(jì)算： （4-1）式中：a、b吸附常數(shù)；P煤層絕對(duì)瓦斯壓力，MPa；Ad煤的灰分，%；Mad煤的水分，%；煤的孔隙率，%；煤的容重（假比重），t/m3.煤樣可解吸瓦斯含量為Wa=W1+W2+W3，而煤的瓦斯含量為W=Wa+Wc。渝陽煤礦備有重慶煤科院研制的DGC型快速瓦斯含量測(cè)定儀，7號(hào)煤層的瓦斯含量有礦方自行測(cè)定，以從壓裂孔中取得的7號(hào)煤樣測(cè)試結(jié)果為例，測(cè)定結(jié)果如下。圖4-2 30分鐘井下瓦斯解吸量及其擬合曲線圖4-2為30分鐘井下瓦斯解吸量及其擬合曲線，測(cè)算得到W1=3.4074m3/t，W3=3.1012 m3/t，W3=6.6054 m3/t，Wa=13.114 m3/t，WC=2.5633 m3/t，則有W=15.6773 m3/t。其他孔的測(cè)定結(jié)果見表4-3。表4-3 檢驗(yàn)孔煤層瓦斯含量測(cè)定結(jié)果采樣地點(diǎn)數(shù)據(jù)來源瓦斯含量（m3/t）壓裂孔實(shí)測(cè)7#煤15.67738#煤18.1613距壓裂孔向北80m處（檢1孔）實(shí)測(cè)7#煤8#煤18.3009距壓裂孔向北70m處（檢2孔）實(shí)測(cè)7#煤11.37708#煤12.7720距壓裂孔向北60m處（檢3孔）實(shí)測(cè)7#煤16.46558#煤16.3746距壓裂孔向北50m處（檢4孔）實(shí)測(cè)7#煤16.31458#煤8.6247距壓裂孔向南60m處（標(biāo)準(zhǔn)孔1）實(shí)測(cè)7#煤12.62468#煤9.8866平均值14.2345（3）瓦斯壓力測(cè)定7號(hào)煤層的瓦斯壓力由位于N3702西瓦斯巷的測(cè)壓孔測(cè)得，標(biāo)準(zhǔn)孔的設(shè)計(jì)參數(shù)、封孔及壓力情況如表4-4所示，鉆孔瓦斯壓力上升曲線如圖4-3所示。表4-4 標(biāo)準(zhǔn)孔（測(cè)壓孔）鉆孔參數(shù)表孔號(hào)方位角()傾角()設(shè)計(jì)孔深(m)終孔位置封孔長(zhǎng)度鉆孔功能壓力測(cè)壓孔孔07754.6M7煤層頂板封孔值7號(hào)煤層底板壓裂前參數(shù)測(cè)試1.94MPa圖4-3 7號(hào)煤層瓦斯壓力測(cè)定曲線(4)煤層透氣性系數(shù)的測(cè)定煤層透氣性系數(shù)是反應(yīng)煤層瓦斯流動(dòng)難易程度的標(biāo)志，煤層透氣性系數(shù)的測(cè)定可以分為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，由于煤層本身又是非均值各向異性介質(zhì)，因此，煤層的透氣性系數(shù)必須通過實(shí)際測(cè)定才能確定?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)定煤層透氣性系數(shù)常用的方法是以中國礦業(yè)大學(xué)周世寧教授提出的采用鉆孔瓦斯自然排放量隨時(shí)間變化規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，要求等壓力穩(wěn)定后要對(duì)測(cè)壓鉆孔進(jìn)行放氣，記錄鉆孔瓦斯流量隨時(shí)間變化規(guī)律，具體做法是首先垂直煤層打一貫煤層的鉆孔，密封鉆孔并測(cè)出煤層原始瓦斯壓力，測(cè)完壓力后，打開閥門，使鉆孔內(nèi)壓力降至大氣壓力，測(cè)定出各個(gè)時(shí)刻鉆孔自然瓦斯排放量，代入相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算就可以得到煤層透氣性系數(shù)；另一種是利用鉆孔瓦斯壓力上升隨時(shí)間變化情況進(jìn)行計(jì)算的方法，要求必須是自然升壓，主動(dòng)式測(cè)壓方式無法計(jì)算。初期，壓力上升較快，應(yīng)每天觀測(cè)，以后壓力趨于穩(wěn)定，觀測(cè)時(shí)間可適當(dāng)延長(zhǎng)，直到瓦斯壓力達(dá)到最大值，然后用公式計(jì)算出煤層的透氣性系數(shù)。由于第一種方法需要對(duì)測(cè)壓鉆孔進(jìn)行放氣，有標(biāo)準(zhǔn)孔作為預(yù)抽觀測(cè)孔，不能進(jìn)行放氣。鉆孔瓦斯流動(dòng)是徑向不穩(wěn)定流動(dòng)，求出其流動(dòng)方程的解析解是困難的。中國礦業(yè)大學(xué)在實(shí)驗(yàn)室用相似模型試驗(yàn)的方法進(jìn)行試驗(yàn)，并以相似準(zhǔn)數(shù)表達(dá)了試驗(yàn)的結(jié)果。徑向不穩(wěn)定流動(dòng)的計(jì)算公式為： （4-2）式中： Y流量準(zhǔn)數(shù)，無因次；時(shí)間準(zhǔn)數(shù)，無因此；a,b無因次系數(shù)。 （4-3）t （4-4）式中：P0煤層原始絕對(duì)瓦斯壓力(表壓力加0.1)，MPa；P1鉆孔中的瓦斯壓力，一般為0.1Mpa；煤層透氣性系數(shù)，m2/(MPa2d)；鉆孔半徑，m；q在排放時(shí)間為t時(shí)、鉆孔煤壁單位面積的瓦斯流量，m3/(m2d)； (4-5)Q在時(shí)間為t時(shí)測(cè)出的鉆孔流量，m3/d；L一鉆孔見煤長(zhǎng)度，一般為煤層厚度，m；t從鉆孔卸壓到測(cè)定鉆孔瓦斯流量的時(shí)間，d；a煤層瓦斯含量系數(shù)，； (4-6) X煤的瓦斯含量，m3/t；P確定煤瓦斯含量時(shí)的瓦斯壓力，MPa。說明：公式（4-6）是一種常見的計(jì)算瓦斯含量的方法，該式是經(jīng)驗(yàn)性公式，在低瓦斯壓力下較準(zhǔn)確。由于該式的形式簡(jiǎn)單，參數(shù)較少，常被應(yīng)用在各種形式的計(jì)算中。另一種常用的計(jì)算瓦斯含量的方法是利用朗格繆爾（Langume）方程計(jì)算。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，導(dǎo)出如下計(jì)算透氣性的公式： （4-7） （4-8）其中： ， t由于流量準(zhǔn)數(shù)與時(shí)間準(zhǔn)數(shù)的關(guān)系難以用簡(jiǎn)單的公式表達(dá)，故按時(shí)間準(zhǔn)數(shù)分段表示，得出以下專門計(jì)算透氣件系數(shù)的公式：由于計(jì)算透氣性系數(shù)公式式子較多，須采用試算法來確定選取的計(jì)算式。即先選用其中任一個(gè)式子計(jì)算出值，然后將算出的值代人公式，校驗(yàn)是否在選用公式的適用范圍內(nèi)。如在試用范圍，則選式正確，算出的值即為煤層透氣性系數(shù)；如不在適用范圍，則需重新選公式計(jì)算值，更新校驗(yàn)值是否在選用公式的適用范圍內(nèi)。測(cè)定透氣性系數(shù)時(shí)應(yīng)注意如下事項(xiàng)：（1）打測(cè)壓鉆孔時(shí)要注意有無噴孔，如有噴孔，應(yīng)測(cè)定噴出煤量，然后折合計(jì)算孔徑；（2）測(cè)定鉆孔瓦斯流量時(shí)，可在不同時(shí)間多測(cè)幾個(gè)瓦斯流量值，以便分析距鉆孔不同距離煤體透氣性的變化規(guī)律；（3）卸壓后到測(cè)定流量時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，鉆孔見煤長(zhǎng)度可不取實(shí)測(cè)值(如鉆孔與煤層面斜交)，而取等于煤厚；如時(shí)間短，則L值可取為鉆孔見煤長(zhǎng)度。渝陽煤礦7號(hào)煤層透氣性系數(shù)的測(cè)定借助N3702瓦斯巷的測(cè)壓孔進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定過程中取得的參數(shù)分別代入相應(yīng)公式，算的煤層透氣性系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表4-5所示。表4-5 7號(hào)煤層透氣性系數(shù)計(jì)算結(jié)果表原始?jí)毫?MPa大氣壓力/MPa孔徑/m煤層厚度/m測(cè)試時(shí)間/d瓦斯含量系數(shù)/Q/ m3/d單位面積瓦斯流量/m3/(m2d)透氣性系數(shù)/m2/(MPa2d)1.940.10.03750.863813.337.48836.950.00994.3 7號(hào)煤層基本力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試煤的力學(xué)性質(zhì)的研究，可為煤礦采、掘機(jī)械化及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算提供一定的參數(shù)，在煤與瓦斯突出的礦井中，可通過深人研究煤的力學(xué)性質(zhì)，為瓦斯突出預(yù)測(cè)和防治獲得定量指標(biāo)，也將為認(rèn)識(shí)突出機(jī)理提供定量參數(shù)。 圖4-4 堅(jiān)固性系數(shù)測(cè)試裝置7號(hào)煤層堅(jiān)固性系數(shù)f值由重慶煤科科學(xué)研究分院測(cè)試完成，測(cè)試裝置示意圖及實(shí)物如圖4-4所示。測(cè)試時(shí)對(duì)7號(hào)煤層上、中、下部分別采樣測(cè)定，測(cè)定結(jié)果顯示上部硬分層f值小于0.006，中部軟分層f值小于0.1，下部硬分層f值為0.3947，該煤層總體上較軟。在施工穿層孔過7號(hào)煤層時(shí)，發(fā)生過輕微的噴孔現(xiàn)象，通過鉆孔套筒取煤芯的方法難以獲得較完整煤樣，因此只能通過實(shí)驗(yàn)室制取型煤樣的方法測(cè)試7號(hào)煤層的基本力學(xué)參數(shù)。型煤樣的制作方法如下：將采集的7號(hào)煤層煤樣在實(shí)驗(yàn)室粉碎機(jī)上粉碎，并篩取粒徑6080目的煤樣若干，灑入適量清水，達(dá)到手試成團(tuán)效果后，在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上，利用加壓成型裝置以100MPa加壓成型。試件加工尺寸為50mm100mm，如圖4-5所示。將型煤試件放置于80C的烘箱內(nèi)烘烤，使試件水份與前述原煤工業(yè)分析水份相當(dāng)，并及時(shí)將煤樣置于塑料袋內(nèi)密封保存，以備實(shí)驗(yàn)用。圖4-5 制作的7號(hào)煤層型煤樣圖4-6 煤樣典型的應(yīng)力應(yīng)變曲線表4-6煤樣基本力學(xué)參數(shù)煤樣極限強(qiáng)度/彈性模量/GPa泊松比（）7號(hào)層0.6713.40.31標(biāo)準(zhǔn)煤樣力學(xué)性質(zhì)測(cè)試實(shí)驗(yàn)在重慶大學(xué)MTS815巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行。測(cè)得的煤樣在單軸狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4-6所示，經(jīng)過分析計(jì)算得到的煤樣基本力學(xué)參數(shù)如表4-5所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明7號(hào)煤層型煤樣單軸壓縮強(qiáng)度僅為0.67MPa，彈性模量較低，泊松比較大，說明該煤層型煤樣極易變形，屬于軟煤層。4.4 7號(hào)煤層穿層鉆孔水力壓裂的可行性7號(hào)煤層位于煤系中部,上距B44.138.08m，平均5.73m，下距B3(M8)5.077.80m，平均6.24m。煤層頂板以砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，有時(shí)有細(xì)砂巖；直接底板為灰白色粘土巖。煤層總厚0.661.03m，平均0.84m，中段136-6、CK4號(hào)孔揭露煤層不達(dá)可采厚度，其余全部達(dá)可采厚度。本煤層為簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)薄煤層，半暗型煤、瀝青光澤，性堅(jiān)硬，參差狀斷口，節(jié)理發(fā)育。煤層可采性指數(shù)0.71，厚度標(biāo)準(zhǔn)差0.266，變異系數(shù)33，為較穩(wěn)定的大部分可采煤層。8號(hào)煤層位于煤系中部，上距M7-2 5.077.80m，平均6.24m，下距B1輔18.3028.11m，平均24.72m。煤層頂板巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，局部為炭質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖；底板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主。煤層總厚度2.363.78m，平均2.96m。M8煤層厚度變化不大，屬中厚厚煤層，簡(jiǎn)單較簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，半亮型煤，一般為粉末狀，少許為細(xì)粒狀，底部為片狀及薄層狀，參差斷口。煤層可采性指數(shù)為1，厚度標(biāo)準(zhǔn)差0.571，變異系數(shù)21，屬穩(wěn)定型可采煤層。M8煤層含矸石01層，矸石單層厚度0.210.68m，多為泥巖，局部為炭質(zhì)泥巖。渝陽煤礦煤體類型主要以碎粒煤和糜棱煤為主，根據(jù)井下本煤層水力壓裂適用性，可知在渝陽煤礦碎粒煤和糜棱煤發(fā)育的區(qū)域，實(shí)施水力擠出、本煤層水力壓裂難以大幅提高煤層透氣性系數(shù)，無法抽采煤層中的瓦斯氣體，因此，對(duì)于這些碎粒煤和糜棱煤發(fā)育的區(qū)域，要開辟新的途徑。對(duì)于煤體嚴(yán)重破壞的碎粒煤和糜棱煤而言，本身沒有任何殘余強(qiáng)度，是不可進(jìn)行本煤層水力壓裂強(qiáng)化的儲(chǔ)層；同時(shí)這類儲(chǔ)層中煤層氣的運(yùn)移產(chǎn)出僅僅是擴(kuò)散，不可能形成滲流，排采半徑非常有限。因此是目前的常規(guī)煤層氣開發(fā)工藝的禁區(qū)，井下處于瓦斯治理目的的抽放也是以密集布置鉆孔而完成的。但以井下密集布置鉆孔來對(duì)碎粒煤和糜棱煤進(jìn)行井下瓦斯抽放，工作量很大，而且抽放效果不甚理想。為此，河南理工大學(xué)等單位1998年提出了虛擬儲(chǔ)層強(qiáng)化工藝。該工藝將煤層頂?shù)装遄鳛槊簩託猱a(chǎn)出的層段，即虛擬儲(chǔ)層。通過對(duì)虛擬儲(chǔ)層進(jìn)行水力壓裂強(qiáng)化增透，使得煤層中的煤層氣只需通過擴(kuò)散方式運(yùn)移到頂板裂隙中，以達(dá)西流形式運(yùn)移到鉆孔產(chǎn)出。相當(dāng)于為煤層氣產(chǎn)出建立了一條高速通道。這一工藝于2007年在山西古交進(jìn)行了成功工業(yè)性試驗(yàn)。山西古交兩口煤層氣試驗(yàn)井揭露了兩層煤，間距為18m，全層為糜棱煤，常規(guī)工藝無法實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化作業(yè)。為此，將這兩層煤之間的18m巖層進(jìn)行了壓裂，實(shí)現(xiàn)了虛擬儲(chǔ)層強(qiáng)化增透。目前已經(jīng)連續(xù)6個(gè)月穩(wěn)定在10001500m3/t的產(chǎn)量。這一試驗(yàn)有力支撐了虛擬儲(chǔ)層強(qiáng)化工藝的工程實(shí)施可行性，為突出煤煤層氣地面商業(yè)化開發(fā)開創(chuàng)了一條有效途徑。這一工藝同樣適合于井下實(shí)施。對(duì)于井下鉆層孔壓裂，無論是本煤層，還是頂?shù)装?，目的在于增加其裂縫長(zhǎng)度、寬度與連通性，為瓦斯的產(chǎn)出提供高速通道。只要設(shè)備能力能夠達(dá)到要求和工藝參數(shù)合理，將取得非常明顯的效果。5 HTB500型壓裂泵組簡(jiǎn)介及調(diào)試5.1 HTB500型壓裂泵組簡(jiǎn)介2011年1月，科技公司從寶雞航天動(dòng)力泵業(yè)有限責(zé)任公司引進(jìn)一套HTB500型調(diào)速煤層壓裂泵組，準(zhǔn)備在渝陽煤礦進(jìn)行穿層孔水力壓裂試驗(yàn)。該泵組2011年1月28日運(yùn)抵渝陽煤礦，科技公司、松藻煤電有限責(zé)任公司及其下屬渝陽煤礦對(duì)該泵組進(jìn)行了接收工作。圖5-1 HTB500型泵組實(shí)物照片HTB500型煤層壓裂泵泵組是寶雞航天泵業(yè)有限責(zé)任公司針對(duì)煤礦井下壓裂工況設(shè)計(jì)的礦用壓裂泵組，主要用于煤礦煤層水力壓裂及注水、井下排泥等項(xiàng)作業(yè)，該泵組采用YB2-400M-4、400KW隔爆型電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，配有BY610Z液力變速器，經(jīng)球籠式同步萬向聯(lián)軸器通過泵側(cè)掛齒輪箱減速驅(qū)動(dòng)泵運(yùn)轉(zhuǎn)。整套泵組布置在三塊平板車上，便于整體運(yùn)輸和組裝。HTB500型煤層壓裂泵泵組實(shí)物照片及平面圖如圖5-1、5-2所示。圖5-2 HTB500型煤層壓裂泵泵組平面圖該泵組的工作原理為：以隔爆型電動(dòng)機(jī)為原動(dòng)力，經(jīng)液力變速器變速后，通過十字軸式同步萬向聯(lián)軸器及泵側(cè)掛齒輪箱減速驅(qū)動(dòng)泵的曲軸作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，再經(jīng)泵內(nèi)的曲柄連桿副，帶動(dòng)柱塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。最終將原動(dòng)機(jī)輸入的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為泵內(nèi)柱塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。HTB500型煤層壓裂泵泵組由HTB500型壓裂泵、YB2-400M-4隔爆型電動(dòng)機(jī)、液力變速器、傳動(dòng)軸、冷卻系統(tǒng)、吸入和排除管匯、電氣換擋系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)、平板車底座等組成。其中，HTB500型壓裂泵由動(dòng)力端、齒輪箱、液力端、動(dòng)力端潤滑系統(tǒng)、液力端潤滑系統(tǒng)和底座（油箱）組成，是泵組的重要組成部分。該泵組性能穩(wěn)定、可靠性高、輸出能力大，最大輸出壓力達(dá)50MPa，最大輸出流量達(dá)66m3/小時(shí)。5.2 HTB500型煤層壓裂泵泵組接收與地面調(diào)試2011年2月14日，科技公司、松藻煤電有限責(zé)任公司、渝陽煤礦、寶雞航天動(dòng)力泵業(yè)有限責(zé)任公司聯(lián)合對(duì)泵組進(jìn)行了地面驗(yàn)收和調(diào)試，驗(yàn)收工作結(jié)果表明泵組及隨機(jī)配件、工具的型號(hào)規(guī)格、數(shù)量與供貨清單相符。地面調(diào)試工作共進(jìn)行了4次，具體情況如下。第一次調(diào)試情況：2月18日，采用盲堵方式，堵死高壓端出口，檔位1和2試驗(yàn)成功，在調(diào)至3檔時(shí)，壓力達(dá)到5MPa、流量41.8m3/h后，電動(dòng)閥門流量不能滿足要求，停止調(diào)試；第二次調(diào)試情況：2月20 日，在調(diào)試3檔時(shí)，將高壓出口端盲堵打開，安裝手動(dòng)截止閥，外接35MPa高壓膠管排水。壓力升至32.8MPa時(shí)，高壓膠管破裂，停止調(diào)試；第三次調(diào)試情況：2月27日，將膠管換成70MPa、公稱直徑25mm的高壓膠管，進(jìn)行3、4檔的調(diào)試，調(diào)至4檔時(shí)，壓力19.4MPa，流量55m3/h時(shí)，高壓膠管爆裂，停止調(diào)試；第四次調(diào)試情況：3月6日，采用兩根70MPa、公稱直徑25mm的高壓膠管并聯(lián)排水，正常調(diào)試并完成4、5檔的調(diào)試。表5-1 HTB500型煤層壓裂泵泵組實(shí)際工況檔位設(shè)計(jì)壓力MPa設(shè)計(jì)流量M3/h實(shí)測(cè)壓力MPa實(shí)測(cè)流量M3/h電流A電壓V電動(dòng)閥門開閉度備注00000541187100%15016.55116.813215611325%運(yùn)行10min23924.537.628.316911768%運(yùn)行5min332332726.817411503%運(yùn)行10min421.54919.949.917518011683%運(yùn)行10min5156616.166.620611477%運(yùn)行15min經(jīng)過調(diào)試，泵組詳細(xì)工況如表5-1所示。調(diào)試結(jié)果表明，泵組參數(shù)與技術(shù)協(xié)議要求基本吻合，各項(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)到要求，工況穩(wěn)定。5.3 高壓泵組的管路及其連接5-3 厚壁無縫孔內(nèi)高壓鋼管實(shí)物圖圖5-4高壓軟管實(shí)物圖高壓管路包括兩部分，即孔內(nèi)聯(lián)接高壓管和孔外聯(lián)接高壓管?？變?nèi)聯(lián)接高壓管為厚壁無縫高壓鋼管，孔外聯(lián)接管為抗高壓軟膠管，分別如圖5-3、5-4所示。煤礦井下的空間有限，壓裂泵