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煤矿井下水力压裂技术与装备及工程应用

来源：煤田地质与勘探

专题来自于《煤炭地质与勘探》2022年第8期，共8篇论文。

行业视野: 煤层气
类别; 35个
关键词; 41位
专家; 8篇
论文; 1475IP
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煤矿井下硬煤层顺层长钻孔分段压裂强化瓦斯抽采技术及应用

作者(Author)：王晨阳, 李树刚, 张永涛, 郭毅, 孙四清, 陈冬冬, 窦成义

摘要：针对硬煤层瓦斯抽采衰减快，抽采周期长、效率低等问题，提出了中硬煤层顺层长钻孔分段压裂增加煤层透气性瓦斯强化抽采技术。以陕西彬长矿区4号煤层为研究对象，在实验室采用SEM高分辨率电子显微镜对比分析了水力压裂前后煤体微观孔隙结构变化特征；利用Abaqus软件模拟了封隔器受力特征及钻孔的稳定性；在彬长矿区大佛寺煤矿井下4号煤层进行水力压裂工业性试验。结果表明：煤层在加载压力15 MPa，保压48 h，煤体的孔隙、裂隙数量增多，孔径尺寸增大，且连通性增强，裂隙间的连通性明显提升。压裂过程中，封隔器同时受到内压和外压载荷产生膨胀变形，内压15 MPa、外压10 MPa时，可保持硬煤钻孔结构完整同时，产生最大的封隔摩擦力。工程试验完成3个顺煤层定向长钻孔分段压裂施工，孔深540～568 m，每孔分8段压裂，单孔注液量910～1 154 m~3，累计注液量3 011 m3；压裂后，利用孔内瞬变电磁测试确定压裂影响半径34～46 m。压裂钻孔平均瓦斯抽采纯量0.72～1.73 m~3/min，平均抽采瓦斯体积分数42.60%～67.48%；对比试验区常规钻孔，瓦斯抽采体积分数提高1.20～2.49倍，百米钻孔瓦斯抽采纯量是3.93～10.03倍，实现了试验区域瓦斯超前增透和预抽，该工艺技术为类似地质条件大区域瓦斯超前治理提供技术借鉴。

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煤田地质与勘探

2022年第08期

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坚硬顶板强矿压动力灾害演化机理与超前区域防治技术

作者(Author)：郑凯歌, 王林涛, 李彬刚, 李延军, 杨欢, 杨森, 戴楠, 王豪杰, 王泽阳, 席杰

摘要：工作面上覆坚硬顶板往往不易垮落，破断后易形成动压灾害。以神东矿区布尔台煤矿为背景，针对典型坚硬顶板造成的强矿压动力灾害问题，采用数值模拟、理论分析的方法分析并揭示坚硬顶板弱化前后的应力演化特征及顶板破断机理，提出超前区域防治技术并应用于现场实践。结果表明：坚硬顶板破断演化特征分为3个阶段，即“长悬臂梁”阶段—“砌体梁滑落失稳”阶段—重新压实阶段，其中“长悬臂梁”阶段支架上方顶板应力显著增大至6.8 MPa，破断前支架上方顶板应力为破断后的2倍，其临界破断产生的应力释放是引起强矿压的根本原因，这也是弱化改造控制的主要阶段。基于坚硬顶板灾害发生机理，提出“广域大空间”超前区域防治技术，阐述了绿色、精准、广域的防治优势，以及钻孔轨迹控制、封孔质量控制、多孔联动效应的关键技术及治理评价体系。结合数值模拟进一步验证防治技术的可靠性，当“长悬臂梁”结构弱化后，其破断前支架上方顶板应力为4.6 MPa，降幅32.4%，顶板破断演化特征3个阶段演变为来压前阶段—“砌体梁滑落失稳”阶段—重新压实阶段，弱化后顶板各阶段支架上方顶板应力降幅达到32.4%～79.4%，表明预成裂隙弱面和降低坚硬层完整性能够有效改变顶板破断结构，显著降低来压强度。实践表明：压裂过程产生多次压降，降幅均达到3 MPa以上，探测裂缝发育长度达到30 m以上，压裂前后工作面周期来压步距降幅44.9%，支架来压载荷降幅18.1%，治理效果良好。研究结果可为类似矿区动力灾害治理提供借鉴。

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煤田地质与勘探

2022年第08期

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含结构面相似材料水力裂缝演化的实验研究

作者(Author)：李全贵, 武晓斌, 胡千庭, 刘乐, 石佳林, 宋明洋

摘要：结构面广泛赋存于煤系中，是影响煤岩水力压裂效果的关键因素之一。调节结构面制作时间和充填材料类型，制作不同结构面类型的煤岩试件，并开展水力压裂物理实验，探究结构面类型与注入流量对水力裂缝延伸的影响及作用机制。结果表明：当注入流量为50 mL/min时，纯样试件（无结构面）的破裂压力高于含结构面试件的破裂压力，延时结构面制备间隔时间对试件破裂压力的影响很弱，调整结构面的充填材料后试件破裂压力最大降低28.79%；随着注入流量的提高，充填材料为云母，水泥试件破裂压力、声发射振铃计数峰值增大，压力上升阶段的持续时间显著缩短，水力裂缝在结构面处的延伸模式由沿结构面延伸逐渐转向沿最大主应力方向延伸。结构面类型与注入流量对水力裂缝在结构面处延伸模式的影响，主要是由于改变了水力裂缝延伸至结构面时结构面上的应力状况，可以通过理论分析预测水力裂缝与结构面的交叉延伸模式，根据结构面上应力状况，通过调节注入流量调整水力裂缝的延伸方向。

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煤田地质与勘探

2022年第08期

142

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煤矿井下高压端连续水力加砂压裂增透技术与装备研究

作者(Author)：贾秉义, 李树刚, 陈冬冬, 林海飞, 郑凯歌, 孙四清, 赵继展

摘要：针对煤矿井下作业空间小，供电供水能力有限，地面加砂压裂装备无法直接应用于煤矿井下的现状，提出了高压端加砂压裂的技术思路。基于液动冲击混携砂原理，研发了高压端连续水力加砂压裂装备。该装备不需要外部动力源进行混砂，而是通过压裂液流态和流场的变化形成旋流冲击实现混砂和携砂。理论分析、数值模拟和室内仿真试验均表明，该装备在原理上是可行性的，能够有效混砂和携砂。研发的装备整体耐压达到55 MPa，一次可装石英砂750 kg，可实现单个或者多个穿层钻孔的连续加砂压裂。配套设计了三通道并联的煤矿井下高压端连续水力加砂压裂控制系统，该系统通过矿用压风实现开关的开合，与压裂泵的控制系统协同对加砂过程实现远程集中控制，确保加砂过程安全可靠。运用该装备在安徽淮南矿区潘三煤矿进行了5个底板穿层钻孔的现场试验。结果表明：该装备携砂能力较强，仅需开启通道二即可实现有效加砂，最大连续加砂量150 kg，最大注水量316 m~3，加砂压裂钻孔瓦斯抽采纯量、百孔瓦斯抽采量分别是清水压裂钻孔的2.38和2.03倍，增透效果明显。研发的装备可应用于煤矿井下高压水射流、水力切割以及水力加砂压裂等领域。

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煤田地质与勘探

2022年第08期

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煤矿井下长钻孔分段水力压裂技术研究进展及发展趋势

作者(Author)：孙四清, 李文博, 张俭, 陈冬冬, 赵继展, 郑凯歌, 龙威成, 王晨阳, 贾秉义, 杜天林, 刘乐, 杨欢, 戴楠

摘要：“十三五”以来，围绕“我国煤矿井下煤层区域增透瓦斯高效抽采和坚硬顶板岩层弱化区域治理”两大难题，将定向长钻孔与分段压裂技术结合，通过技术攻关与装备研发及工程试验，在煤矿井下定向长钻孔分段水力压裂技术和装备研发及工程示范应用等方面均取得了明显进展。主要表现在如下4个方面：（1）开发了适合于煤矿井下煤岩层裸眼定向长钻孔不动管柱和动管柱两种分段水力压裂工艺技术与工具，不动管柱分段压裂工程应用钻孔长度突破了500 m，单孔压裂实现了5段；动管柱分段压裂钻孔长度工程应用突破了800 m，单孔压裂实现了17段。（2）研发了煤矿井下低压端加砂压裂泵组和高压端加砂压裂装置，低压端加砂泵组压力达到了70 MPa，排量达到90 m~3/h，携砂比达到20%；高压端加砂压裂装备耐压能力达到55 MPa，一次连续加砂压裂的砂量达到750 kg；低压端和高压端加砂装备均在现场进行了工程应用，应用结果表明装备均具有较好携砂压裂能力。（3）建立了碎软煤层围岩分段压裂和硬煤顺层钻孔分段压裂区域增透瓦斯高效抽采技术模式，前者在山西阳泉矿区和陕西韩城矿区应用钻孔瓦斯抽采纯量均值分别达到了2 811 m~3/d和1 559 m~3/d，后者在陕西彬长矿区应用钻孔瓦斯抽采纯量达到了2 491 m~3/d。（4）探索出了坚硬顶板强矿压煤矿井下定向长钻孔分段水力压裂主动超前区域弱化治理的新模式，工程应用钻孔长度突破了800 m，坚硬顶板分段水力压裂治理后，顶板来压步距、动载系数和最高压力值较未压裂区分别下降了18.9%～70.6%,5.8%～7.9%,13.7%～19.4%，有效治理了工作面坚硬顶板引起的强矿压灾害。随着煤矿井下分段水力压裂技术改进和煤矿智能开采发展的实际需要，提出了煤矿井下大排量高压力智能压裂泵组、井下长钻孔裸眼分段压裂智能工具等装备和煤矿井-地联合分段水力压裂技术研发方向，以更好地推动煤矿井下水力压裂技术与装备发展，为煤矿安全高效绿色智能开采提供技术和装备支撑。

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煤田地质与勘探

2022年第08期

303

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水力压裂模拟用煤岩体相似材料基础力学特性实验研究

作者(Author)：翟成, 郑仰峰, 余旭, 徐吉钊, 孙勇, 丛钰洲, 唐伟, 李宇杰, 朱薪宇, 陈爱坤

摘要：煤层水力压裂模拟实验是研究煤矿井下水力压裂煤岩体致裂增透、弱化机理的有效手段。然而，大尺寸煤岩体原位保真取样技术不成熟，已有大尺寸煤样块多取自卸压区，其在运输和制备过程中会发生二次破坏，导致实验结果失真。因此，使用煤岩体相似材料代替大尺寸原煤执行室内水力压裂模拟实验成为一种可行的选择。煤岩体相似材料试样的力学特性是影响水力压裂效果最重要因素。为精确表征煤岩体相似材料的基础力学特征，选择煤粉、水泥、石膏、砂子为相似材料，设计制作7种配比试样，进行超声波与力学特性耦合响应规律研究。结果表明：煤岩体相似材料试样超声波波速（P波和S波）和强度（单轴抗压和抗拉强度）随着密度的增大而增大，随着孔隙率的增大而减小；相似材料对于超声波波速、强度和密度增大幅度的影响为水泥＞砂子＞石膏，孔隙率正相反；相似材料水泥和石膏分别在调节试样强度和变形特性方面起主要作用；根据超声波P波波速与强度之间的二次多项式数学模型，通过测定超声波P波波速可提前预测试样的强度；试样力学参数可调整范围大，通过改变相似材料配比可以调整试样的力学性质，精确模拟煤岩体，且试样制作方法简单。此研究可为煤层水力压裂模拟用煤岩体相似材料力学特征相似设计提供依据，促进矿井瓦斯防治技术的发展，具有广泛的应用价值。

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煤田地质与勘探

2022年第08期

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碎软煤层顶板梳状长钻孔水力压裂区域瓦斯高效抽采模式

作者(Author)：陈冬冬, 王建利, 贾秉义, 席杰

摘要：瓦斯区域超前治理是实现煤矿安全、高效及智能化开采的重要保障，针对碎软煤层区域瓦斯高效抽采难题，以陕西韩城矿区3号煤层为研究对象，提出井下煤层顶板梳状长钻孔水力压裂区域瓦斯抽采模式。采用理论分析、数值模拟和现场试验等多手段相结合的方法，验证模式适用性，阐明紧邻煤层顶板梳状钻孔压裂裂缝延展规律、抽采机理和压裂曲线特征，进而建立适用于500 m孔深的集地质条件动态分析、分段水力压裂、封隔器遇阻解卡和压裂范围连续探查于一体的顶板梳状长钻孔裸眼分段水力压裂关键技术体系，实现煤层顶板梳状钻孔主孔轨迹距离煤层5 m左右、多段均匀压裂、压裂范围全孔监测和孔内事故高效处理。以此为基础，在韩城桑树坪二号井开展2孔次的工程实践：压裂主孔深度588 m、距3号煤层2 m左右，单孔压裂6段，压裂范围探查深度381 m、压裂影响半径20 m以上；压裂后，钻孔抽采瓦斯平均体积分数40%以上、瓦斯抽采量1 m3/min以上，抽采效果是常规钻孔的4倍，120 d瓦斯抽采有效半径可达9 m，实现了碎软煤层瓦斯区域高效抽采。并提出了适用于碎软煤层大区域瓦斯抽采以及高瓦斯压力碎软强突煤层远程区域抽采卸压等规模化应用技术思路。

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煤田地质与勘探

2022年第08期

157

97
煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂技术与装备

作者(Author)：张俭, 刘乐, 赵继展, 孙四清, 王晨阳

摘要：针对碎软煤层渗透率低、瓦斯抽采衰减快、压裂不均匀、裂缝易闭合、瓦斯抽采效果差、无法实现区域瓦斯超前预抽的问题，提出了煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂强化瓦斯抽采的技术思路，研发适合煤矿井下煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂煤层增透技术，研制了成套的煤矿井下水力加砂压裂泵组装备、定向喷砂射孔装置及工具组合、防砂封隔器及工具组合。水力压裂泵组装备最大排量90 m~3/h，最大泵注压力70 MPa，最大携砂能力20%，支撑剂粒径小于等于1 mm；定向喷砂射孔装置通过水压驱动喷射器定向，最大旋转角度180°；防砂封隔器最大承压70 MPa，最大膨胀系数为2。研发的定向长钻孔连续定向喷砂射孔工艺技术和定向长钻孔拖动式水力加砂分段压裂工艺技术，在山西阳泉新景煤矿井下开展工程试验，完成2个压裂钻孔（孔深均为609 m）共计16段水力加砂分段压裂施工，累计实施80次定向喷砂射孔作业，石英砂的体积分数2%～3%，定向喷砂射孔压力22.6～28.6 MPa，共计使用石英砂19.8 t；水力加砂分段压裂单段注入压裂液153.8～235.1 m~3、核桃壳砂的体积分数2.02%～2.56%，累计注入压裂液2 808.57 m~3，注入核桃壳砂36.47 t；综合评价本次水力加砂分段压裂影响半径为20～38 m，统计分析压裂后2个钻场100 d瓦斯抽采数据，1号钻场、2号钻场日均瓦斯抽采纯量分别为1 025、2 811m~3。试验结果表明：压裂装备加砂量大，施工排量大，能够实现连续作业，压裂后煤层透气性显著增加，极大地提高瓦斯抽采浓度和瓦斯抽采纯量。研究成果对碎软煤层区域瓦斯增透提供新思路，为我国类似矿区区域瓦斯超前治理提供技术借鉴。

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煤田地质与勘探

2022年第08期

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