基于矿井开采的水力压裂治理技术研究

基于矿井开采的水 力 压裂治理技术研究

任圣官

冀中能源股份有限公司东庞矿 河北邢台 054201

摘要：我国矿业能源开采条件十分艰苦，地下可燃气体含量也很高。在开采过程中，极易发生爆炸事故，严重影响工程的开采进度，甚至造成人员伤亡和重大经济损失。同时，地下开采深度不断增加，开采范围越来越广。矿层数量的增加，不仅增加了矿层间距，也给采矿工人的安全带来了一定的隐患。对于地下可燃气体的处理，必须采取有效的方案和措施。水力压裂技术的应用，可以提高矿层的渗透率，降低可燃气体含量，防止事故发生，提高我国的安全开采水平。本文重点探究基于矿井开采的水力压裂治理技术。

关键词：矿井开采；水利压裂；治理技术

1 引言

在我国矿产开采作业中，矿产开采水力压裂技术是一种较为先进的瓦斯抽采技术，但由于该技术在我国的起步较晚，在应用过程中因经验不足，以及诸多因素的影响，都对该技术的应用效果造成了影响。为了保证对矿层瓦斯气体的有效抽采，保证矿产开采作业的施工安全，必须做好对矿产开采水力压裂技术的应用研究。

2 水力压裂

水力压裂是指裂纹由于其内部液体压力的作用而开裂并扩展的过程，由于应用领域的不同，有时也称作水压致裂或水力劈裂。水力压裂技术广泛应用于石油、天然气或地热的开采及增产、放射性废物的处置、地应力的测量等领域。定向水力压裂技术是指在钻孔压裂段预制裂缝，从而控制水力压裂裂纹扩展方向的技术，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，达到减小或消除坚硬难垮顶板对工作面回采危害的目的^[1]。

3 技术机理

1）矿体压密阶段。在注入钻孔的高压液体压力小于矿体破裂压力前，钻孔孔壁矿层在液态压力作用下发生屈服和变形，随着液体压力的持续增大，孔壁矿层逐渐被进一步压密，钻孔孔径扩大，所以此阶段又被成为钻孔扩孔阶段。2）裂隙产生阶段。孔壁矿体在持续压力作用下达到屈服极限后，进入硬化阶段，随着液体压力进一步增大，达到了矿体破裂压力值时，矿体发生失稳破坏，孔壁产生初始裂隙，这一阶段是矿体被水流压密而产生的作用结果，是下一阶段裂隙发育扩展的必要条件。3）裂隙扩展阶段。在液体压力作用下产生初始裂隙后，钻孔空间整体表面积增大，导致液体压力下降，所以需继续增大注水量，增大液体压力，使其大于矿体裂隙尖端的拉应力，使裂隙得到进一步的扩展延伸，直至矿体渗透速度达到注入液体流动速度时，裂隙将停止扩展，压裂过程结束。

4 基于矿井开采的水力压裂治理技术

4.1 裂缝支撑

前面已经提到了关于水力压裂技术的工作机理，其在发生作用时，需要满足必要的条件才能进行作业。矿山开采中，高压水需要砂子材料等多种混合液体进入矿层缝隙，随着多种混合液体的进入，会使矿层中的缝隙更大，而液体在高压作用下，进入矿层裂缝后，砂子便会留在裂缝中，起到一定的支撑作用，在这个过程中，由于砂子支撑了缝隙，使得矿层避免缝合在一起，起到了良好的透气性，易燃气体通过这些缝隙，也可以均匀的排出，避免突然涌现的情况^[2]。在开采过程中，由于外力条件的作用，也会产生裂缝，但是裂缝无法保证其安全性，所以需要利用水力压裂技术来保证矿层透气性，在高压的条件下，通过打钻的方式在矿层中注入高压水，水体不断进入矿层中，在高压的作用下，对矿层中的裂缝起到支撑作用，这样一来，也保证了开采的安全性。

4.2 装置设备

目前，支持矿产井下水力压裂作业的设备有三种，分别为动力变量泵、矿机定量泵以及矿层气变量泵，这三种水力压裂泵组都可布置在狭小的巷道之中，在进行钻孔注水操作时，其注水压力与流量都可以设定在一个固定的数额范围内，但最大限度的档位不能长时间保持，另外，目前使用的泵组也缺乏远距离监测的能力。针对目前采用的水力压裂装备的现状，注重提高泵组的远距离监测能力，通过钻孔轨迹无线随钻监测仪完善水力压裂装备。在软件方面，提高软件的功能性，实现对矿区内部瓦斯抽采情况的三维可视化建模，确保施工现场及抽采效果的动态显示，进而保证对现场的施工指导。

4.3 钻孔布置

1）钻孔布置的合理性。结合压裂施工点地质剖面，精确确定压裂关键层位。严格控制钻探施工轨迹，保证压裂施工改造层位的准确性，且钻孔水平位置尽量控制在上覆集中矿柱正下方。2）钻孔质量控制。钻孔轨迹的平滑性，钻孔分段压裂设备，尤其是封孔器需在光滑、平整的钻孔段进行封孔坐封，方能满足高压注水压裂需求。3）钻孔轨迹控制。压裂钻孔轨迹应规避断层等地质构造影响，压裂段位于地质构造影响范围内，易造成漏失严重，降低压裂有效应力，影响压裂效果，降低顶板岩层弱化效果。4）考虑分段压裂施工难度，钻孔设计不宜过长，一般不超过600m。5）考虑压裂设备能力，地层漏失水量，压裂点不宜过长，一般4~10m；6）压裂间距20~40m，考虑工具使用寿命，单孔压裂次数6~12段。

4.4 注水压力

注水钻孔周边矿体发生起裂的条件是孔壁处的切向拉应力大于该处矿体的抗拉强度极限。注水压力是否合理决定着矿岩体破裂情况，使矿体孔隙、裂隙的容积和矿体结构得到改变，起到治理矿体内瓦斯排放、消突的效果。根据以往经验、相关起裂压力公式、注水泵的特性，结合现场实际水力压裂情况可知合理的注水压力。注水量是与注水压力、矿体结构有关的。注水前期注水压力和流量随注水时间出现线性增加的趋势，随后注水压力与流量反向变化且呈波浪状。因此，在注水初期具有一定压力和流速的高压水经钻孔进入矿体裂隙，克服裂隙阻力运动^[3]。矿体内裂隙注水注满后，因矿体的渗透性比较小，引起矿体内水的流量降低、压力增加而出现积蓄势能。当积蓄的势能达到破裂的矿体产生新的裂隙时，此时高压水则进到了新的裂隙内，势能变为动能，出现压力变小，水流变大。注水时因杂质把裂隙堵塞时，矿体的渗透性减小，水的流动性下降，流量减小，压力增加且为临界值时注水停止。按照矿层情况，水力压裂时注进的高压水量要达到其影响范围内矿体体积的2%～4%。

4.5 压裂过程

在采面切眼进行水力压裂时，对高压水水压进监测，向钻孔内注入的高压水压力控制在10~29MP，可以通过水压变化情况分析压裂区裂缝扩展发育情况。当水力压裂工作开始时，水压开始快速上升，在高压水作用下开始对岩层造缝，随后水压出现小幅降低并保持稳定，此时裂缝在稳定水压作用下开始扩展。从水压变化曲线可以看出，压裂的采面顶板覆岩完整性好、较致密，裂隙不发育，水力压裂裂缝可以在致密岩层中大范围扩展，随着时间增加，在水力压裂钻孔附近有水流渗出，表明水力压裂在岩层中制造的缝隙扩展范围可以达到10m。

5 结束语

综上所述，目前矿产采矿安全已经成为了世界关注问题，每年在矿产中发生的安全事故数不胜数，轻微的时候只是会造成相关人员受伤，但是严重的时候会使得井下采矿的人员生命受到威胁。所以矿产企业在发展过程中，一方面要考虑自己的经济效益，一方面要保障自己采矿人员的生命安全。我们要积极地利用新时代的技术，不断的对矿层缝裂进行相应的分析，保障采矿安全，减少安全事故发生。

参考文献：

[1] 张思蔚.水力压裂技术在矿井瓦斯抽采中的应用研究[J].能源与环保,2019(11):50-53.

[2] 崔联兵.水力压裂技术在矿井瓦斯治理中的应用[J].能源技术与管理,2018(3):23-24.

[3] 张广清,陈勉 . 水平井水压致裂裂缝非平面扩展模型研究 [J]. 工程力学,2006, 23( 04): 160-165.