龙马煤矿井下水力压裂试验方案

杉松岗矿业集团靖宇龙马矿业有限公司208综采工作面井下水力压裂试验方案杉松岗矿业集团靖宇龙马矿业有限公司208综采工作面井下水力压裂试验方案靖宇龙马矿业有限公司二一六年八月 目 录第一章 概况1第一节 技术概况1第二节 项目试验目的1第三节 技术路线2第二章 矿井概况3第一节 矿井位置、范围3第二节 地形地貌与气候4第三节 地质构造5第四节 煤层赋存状况10第五节 矿井通风及瓦斯情况11第三章 压裂施工程序设计13第一节 压裂施工地点概况13第二节 施工原则13第三节 压裂钻孔设计14第四节 泵注参数17第五节 压裂工序19第六节 压裂泵摆放和管路敷设19第七节 效果考察20第四章 压裂装备21第五章 安全防护技术措施22第一节 压裂施工安全防护技术措施22第二节 避灾路线24第六章 需要配套的设备及材料25靖宇龙马矿业有限公司 第 24 页 第一章 概况第一节 技术概况煤矿井下水力压裂增透技术，是河南省煤层气开发利用有限公司自主研发的一项煤矿瓦斯综合治理技术。技术基本原理：煤体是一种多孔介质，具有丰富的原生裂隙。该技术就是利用专业成套压裂装备和施工工艺，通过钻孔，将压裂液注入煤层中，利用压裂液的不可压缩性，在煤层各级裂隙弱面内对壁面进行支撑，使各级裂隙弱面发生张开、扩展和延伸，形成一个相互交织的多裂隙连通网络。正是由于这种裂隙连通网络的形成，致使煤层透气性增加；同时实现煤体整体卸压、降低煤层瓦斯压力、煤体吸附瓦斯快速解吸；达到提高钻孔抽采效率的目的。另外，高压压裂液侵入煤体，煤体水分含量增加、塑性增强，减少生产作业中的产尘量。贵州中祥工程管理有限公司为河南省煤层气开发利用有限公司的全资子公司，专业为省煤层气公司开展井下瓦斯治理技术服务（煤岩巷施工、钻孔施工、井下水力压裂工程施工、设备销售）、煤矿瓦斯参数测试分析（瓦斯压力、瓦斯含量、煤质参数等）、煤层气地面井工程施工等业务。已在西南地区、山西等省市地区开展煤矿井下水力压裂和煤矿井下瓦斯综合治理等项目。第二节 项目试验目的吉煤集团公司在7月份组织各矿到八连城煤矿参观学习该技术，并鼓励各矿采用煤层水力压裂增透技术开展瓦斯治理工作，所以靖宇龙马煤矿编制该试验方案，拟对井下208综采工作面进行煤层水力压裂增透进行瓦斯预抽。技术引自2014年6月，由国家安全生产总局组织的“煤矿安全科技进吉林”活动，邀请国内煤炭行业知名的科研机构、高校、企业等来到吉林省，为吉林省煤炭行业的安全发展提供支撑。该活动为吉林省煤炭企业和被邀请单位搭建了一个好的长期的交流平台。在活动期间，珲春矿业与河南煤层气公司交流各自在煤矿井下采用水力压裂的方法进行瓦斯治理的经验，并达成共识，确定在珲春八连城煤业公司做为试验地点，合作开展煤矿井下水力压裂技术在八连城煤矿的试验，主要目的是对河南省煤层气公司的压裂泵组和压裂施工工艺等方面进行可行性试验。珲春八连煤矿通过煤韧劲水力压裂增透治理瓦斯效果显著，在北翼3个工作面开采时均未发生过瓦斯超限报警事故，创八连城故采面瓦斯治理历史最好水平。鉴于八连城煤矿采用煤层水力压裂增透瓦斯治理的成功经验和效果，吉煤集团组织各矿参观学习并要求采用该技术治理瓦斯。第三节 技术路线在研究方法上，采取理论分析和现场试验、参数测试分析相结合；针对瓦斯涌出规律，验证相应的预测、施工参数和装备；进行现场试验，对技术和装备进行检验，进一步完善和修改，最后形成高效适用于靖宇龙马煤矿的压裂工艺和参数。第二章 矿井概况第一节 矿井位置、范围靖宇龙马煤矿位于吉林省靖宇县东兴乡马当村。地理座标：东经：12659241270042北纬：422646422814矿区距靖宇县城北东18公里，距白山市火车站110公里，距长林线三岔子火车站90公里，距沈吉线朝阳镇火车站97公里。其间均有公路相通，交通较为方便。龙马煤矿井田范围由吉林省国土资源厅2015年2月25日颁发的采矿许可证(采矿证证号：C2200002010031120057437)所确定，矿区范围内主要可采煤层为1号、2号、3号煤层。该区由10个拐点坐标圈定，详见龙马煤矿划定范围拐点坐标表。井田面积约3.4050km2。开采深度：由420米至-150米标高。表1-1 龙马煤矿划定范围拐点坐标表登记拐点坐标（1954坐标系） 核查拐点坐标（1980西安坐标系） 区号点号X(北坐标)Y(东坐标)区号点号X(北坐标)Y(东坐标)114703270.0042581794.00114703237.3742581752.81124703656.0042581690.00124703623.3742581648.81134703600.0042581476.00134703567.3742581434.81144703787.0042581430.00144703754.3742581388.81154703842.0042581634.00154703809.3742581592.81164704434.0042581730.00164704401.3642581688.81174704500.0042583175.00174704467.3642583133.80184703360.0042583230.00184703327.3742583188.80194701880.0042582830.00194701847.3942582788.801104701765.0042582080.001104701732.3942582038.81图1-1 矿井交通位置图 吉林省杉松岗矿业集团 靖宇龙马煤矿第二节 地形地貌与气候龙马煤矿位于龙岗山脉东南侧的低山地区。地貌为玄武岩台地，海拔标高510m567m，最高标高为617.08m，最低侵蚀基准面标高为406m，相对高差211.08m。矿区处于地下水补给区，地表径流条件较好，矿区开采标高-150至420m，煤层开采需在侵蚀基准面以下进行。矿区主要河流有头道松花江，从矿区东约1处由南流向北，江宽100150m，水深达数十米。白山电站水库蓄水后，最高洪水位标高为416.50m。江水结冰期为11月中、下旬，翌年4月中旬开始融化，每年11月份开始水位下降至406m左右。该区属亚寒带大陆性气候，最高气温33.5，最低气温-42.2，全年平均降水量767.3mm，最大降水量1191.5mm，以7、8月份降水量集中。最大月降水量为135.7mm。该区每年一般在10月下旬降雪，其中11、12月份为最大降雪期，而11月初开始封冻，翌年4月中旬开始解冻。最大冻土深度1.8m。区内多年未发生有级地震。第三节 地质构造一、地层在矿区范围内主要地层由老至新有太古界鞍山群（Ar），中生界侏罗系中统侯家屯组（J2h），上统果松组（J3s）、林子头组（J3l）、石人组（Jsh）和第四系（Q）。各系地层组合特征与接触关系分述如下：(一)、太古界鞍山群（Ar）区内太古界鞍山群的花岗片麻岩，构成中生界含煤沉积盆地之基底，厚度不详。与上覆地层为角度不整合接触。(二)、中生界1、侯家屯组（J2h）该组粉砂岩段：以紫红色粉砂岩为主，夹有黄绿色粉砂岩和泥灰岩透镜体，底部为杂色砾岩，厚度100m左右，与上覆地层过渡接触。2、侏罗系上统（J3）(1)、果松组（J3s）本组岩性主要由中性火山碎屑岩组成，有紫色安山角砾岩，集块岩、安山岩，有时夹滚园状砾石，砾径一般1030cm，最大的有50cm。厚度170m左右，与上覆地层为假整合接触。(2)、林子头组（J3l）该组按岩性组合特征由下至上可分为凝灰质粉砂岩段（J23s）、凝灰岩段（J23l）、粉砂岩段（J33s）。各段岩性组合特征分述如下：凝灰质粉砂岩段（J23s）以灰凝灰质粉砂岩为主，上部夹有2-3层灰绿色薄层凝灰岩，下部夹有四层深灰色薄层泥质灰岩，在粉砂岩中有大量湖泊相复足类动物化石，厚度100m左右，与上覆地层为假整合接触。凝灰岩段（J23l）该段岩性主要由灰绿色和浅灰色凝灰岩互层，含凝灰岩角砾。砾径15cm左右，局部具紫色，厚度60cm左右，与上覆地层为整合接触。粉砂岩段（J33s）该段岩性由灰绿色、淡灰色粉砂岩、紫色泥岩、黑色泥岩和薄层砾岩组成。在上部有34个薄层凝灰岩，在其下部有黑色叶片状页岩，并夹薄层泥质灰岩和灰岩透镜体。含有湖泊相腹足类及辨鳃类动物化石，厚度190m左右，与上覆地层为整合接触。(3)、石人组（Jsh）该组按岩性组合特征由下至上可划分含砾粉砂岩段（J13ch）、下含煤段（J23ch）、砂砾岩段（J33ch）、上含煤段（J43ch）、火山碎屑岩段（J53ch）。各段岩性特征分述如下：含砾粉砂岩段（J13ch）以灰绿色与深灰色粉砂岩为主，层间夹灰色砾岩薄层。厚度约70m左右，与上覆地层为整合接触。下含煤段（J23ch）由深灰色粉砂岩和砂岩、砾岩、炭页及34个煤层组成，含可采煤层3层，厚度80m左右，与上覆地层为整合接触。砂砾岩段（J33ch）由灰绿色粉砂岩、砂砾岩、砾岩组成，夹有紫色泥岩、薄层炭页和煤线，厚度约100m左右。与上覆地层为整合接触。上含煤段（J43ch）该段以深灰色粉砂岩为主。夹砂岩、砾岩和凝灰岩、炭质页岩及6个煤层组成，其中可采煤层2层，局部可采煤层2层。下部以灰绿色砂岩夹杂色砂砾岩组成，厚度115m左右，与上覆地层为整合接触。火山碎屑岩段（J53ch）该段由深灰色安山岩、灰绿色、暗紫色凝灰岩熔岩及凝灰岩互层，中下部为灰绿灰色砂砾岩，夹34层炭质页岩及薄煤层，厚度290m左右。与上覆地层为角度不整合接触。(三)、第四系（）1、白头山玄武岩（）：暗灰灰黑色，具有多次啧发堆积，夹1-3层火山渣，每次喷发上部有气孔，下部致密，柱状节理发育，底部有510m的砂砾岩层，分布在松花江两岸。厚度50110m。2、残坡积层（）：主要由河床砂砾残积层，由碎石和腐植土组成，厚度一般210m。二、 构造靖宇马龙煤矿，大地构造位置处于中朝准地台,铁岭台拱的东段。靖宇煤田较严格的受控于北北东断裂带。该煤田自南东三股流马当至北东端贾家楼、那尔轰一带，长约30公里，宽约2.5公里，面积约75平方公里。煤盆地呈斜列式，走向呈北北东，倾向南东的单斜构造，倾角1825。矿区1至4勘探线，是煤盆地北西异地单斜构造的一部分，岩层走向呈北北东，倾向南东，倾角1825，与煤盆地总的构造基本一致。在矿区内小断裂比较发育，通过采掘发现落差430m左右的小断层有4条，断层编号与要素详见下表：表1-2 断层特征表断层编号性质走向倾向倾角控制程度F1正断层ZWSEZE7080巷道控制F2正断层ZWSEZE7080巷道控制F3正断层ZWSEZE7080巷道控制F4正断层ZWSEZE7080巷道控制F15正断层NESWNW55601-1、72-2号孔控制三、岩浆岩特征勘查区以第四纪喜山期基性玄武岩为主，其形成主要表现为基性岩浆的喷发和喷溢，形成巨厚的玄武岩台地，其岩性特征为暗灰-灰黑色斑状结构，多次喷发堆积，夹1-3层火山渣，每次喷发期的上部具气孔状，下部致密柱状节理发育。覆盖在煤系地层之上。另外在含煤地层中火山碎屑岩段有巨厚的安山岩，颜色有多种，灰黑、紫红色、浅褐红色，但对上、下含煤段煤层无影响，受后期构造运动影响其裂隙较发育，岩层上、下部空隙较多，为本区含水性较好的含水层并可起导水作用。四、水文地质特征根据水文类型划分报告，分析确定本区3个含水层和2个隔水层，分述如下：(一)、含水层1、玄武岩孔洞裂隙水含水层第四系更新统玄武岩裂隙水含水层，分布全区，气孔发育、裂隙发育一般，局部形成裂隙风化破碎带，富水性较强。厚度在24m100.50m之间，变化较大，是可采煤层上部的主要含水岩层。2、侏罗系裂隙水弱含水层(1)侏罗系上统石人组火山碎屑岩段（J53sh）：火山碎屑岩裂隙水分布广，厚度112m478m，其岩性主要为安山岩和凝灰质熔岩，夹有薄层炭质页岩和煤线。含水性能弱，分5个弱含水段。(2)侏罗系上统石人组砂砾岩段（J33sh）：以砂岩、砾岩为主，夹有泥岩、炭质页岩和煤线，厚125m205m，裂隙发育，岩石透水性较好，分布广，钻进中多见漏水现象，局部承压。是上含煤段可采煤层（8、9、10）的间接底板，同时又是下含煤段可采煤层（2层）的间接顶板。属含水性较好的含水段。(3)侏罗系石人组含砾粉砂岩段（J33sh）：以粉砂岩夹砾岩为主的裂隙水，厚度约70m，粉砂岩遇水易软化或膨胀，砾岩裂隙发育，层状、含水弱、分布广，是下含煤段可采煤层间接底板。(4)侏罗系上统林子头组（J33l）：以粉砂岩为主的裂隙水，厚度约190m，分布广，夹有层状泥岩、页岩和凝灰岩，含水性弱，粉砂岩遇水软化，是下含煤段可采煤层的间接底板。(5)侏罗系上统林子头组凝灰质粉砂岩段（J13l）和凝灰岩段（J23l）：该段因夹有凝灰岩和泥岩，含水性极弱，总厚度约160m，是可采煤层的间接底板，一般倾角25左右。属含水极弱的含水段。 3、构造裂隙水含水层主要是穿越靖（宇）-抚（松）煤田又切割珠子河F15正断层，走向北3035东，位于矿井东部边界，切断井田深部煤层。该断层落差大于300m，断裂带含水（或导水）的性能强弱，将直接影响矿井生产，该水平位于侏罗系上统石人组下含煤段（J2）夹页岩，泥岩的隔水层厚度60米左右，上部为粉砂岩，泥质页岩是1、2、3可采煤层的直接顶板，没有较大裂隙，不含水，水文条件简单，主要涌水源来自上一水平采空区，涌水量为400-600m/天，在南部开采区的层间断层F1、F2号断层，1997年开采至今没有随雨季变化而增加矿井涌水量。及北部F3、F4、F5、开采已控制，而且已采区巷道实际揭穿断层时，没有大的涌水量。实践证明，深部开采时断层不含水、导水性差,对矿井没有影响。(二)、隔水层1、侏罗系上统石人组上含煤段隔水层（J43sh）：以页岩、炭质页岩、泥岩和煤层为主的隔水层，平均厚度约50m。2、侏罗系上统石人组下含煤段隔水层（J23sh）：以粉砂岩、泥岩、页岩和煤层为主的隔水层，厚度约60m。(三)、矿区地下水的补给、径流、排泄条件该区地下水主要受大气降水补给，降水垂直渗透（漏）到地下的玄武岩层和侏罗系上统石人组地层中。本区玄武岩台地发育，集水面积较大，大气降水直接补给地下水，由于受地形、含水性岩层和地质构造制约，地下水通过各种途径流动，其地下水流动的方向主要受地形影响。矿区大气降水补给地下水和河水，间接转变成矿井水。该区由于沟谷发育，地表径流条件较好。因此，地表水流量随季节变化较大。(四)、矿井充水因素分析由于本矿北部和其他矿相邻，并和其他矿井有水利联系，矿坑的充水水源主要是上部玄武岩孔洞裂隙水，通过裂隙带和不整合面渗入坑道，具体分为：1)采空区充水。2）煤层间接顶板对井巷和采区的充水。3）矿区内层间正断层对井巷的充水。1、采空区分节和积水情况本矿区的采空区主要分布在矿井上部的大地煤矿开采上含煤段8、9、10号煤层，以及靖宇煤矿已开采的2、3号煤层都形成了采空区。(1)8、9、10号煤层采空区：由上含煤层段8、9、10号煤层形成的采空区，三层煤都进行了开采；其开采面积基本相同，经计算面积为：0.085km2，按各煤层平均厚度合计4.21m（8号煤层1.03m、9号煤层1.42m、10号煤层1.76m），由于各采煤层的顶底板岩性为泥岩、粉砂岩、砂岩，结构致密，凝灰质胶体，抗压、强度较高，工程地质岩组为半坚硬岩层，煤层的顶底板稳定性较好，不会有大的变形，因此其理论充水空间为350200m3。虽然采空区面积和体积较大，但因有一套完整的排水系统而且矿井正在技术改造提能，因此不会形成封闭的采空区，因而不含存在大量积水的可能性。(2)2、3号煤层采空区：2、3号煤层采空区位于本矿的下含煤层段，分布于上含煤层采空区的下部面积较大，其中3层煤为0.536km2，2层煤为0.581km2，共3层煤平均厚度为1.18km2；2层煤厚度为1.50m其工程地质条件和上含煤层段基本相同，因此其理论充水空间分别为3号层：632480m3，2号层为871500m3。虽然采空区面积和体积较大，但有一套完整的排水系统、而且矿井正在生产，不会形成封闭的采空区，因而不会存在大面积积水的可能性。见充水因素图。2、含水层对矿井水的影响本区有4个含水层，对矿井生产直接影响的为：(1)第四系玄武岩孔间裂隙水含水层。(2)侏罗系上统火山碎屑岩裂隙含水层。(3)侏罗系石人组含砂砾岩段裂隙含水层。(4)侏罗系石人组含砾粉砂岩段。3、矿井涌水量在矿区南部的下含煤段开采范围内现正常平均涌水量为14m3/h，最大涌水量为58m3/h，目前最低开采标高为+110m，但在矿区中、北部开采时由于深度增加；开采范围增大，水压增高，特别是局部裂隙带和煤层上部间接含水层的沟通将使涌水量增加。本区矿井水文地质类型为简单类型。第四节 煤层赋存状况本区含煤系地层石人组控制厚度为650m，共赋存16个煤层，117个见煤点的总厚度为115.89m，含煤系数为17.83，分为上、下两个含煤段，其中下含煤段煤层全区发育稳定，赋存4个煤层，其中可采煤层3个(1号、2号、3号)，上含煤段赋存6个煤层，该段可采煤层2个层(8号、9号)。主要可采煤层煤质指标如表1-4所示。表1-3 可采煤层特征表 煤层编号煤层厚度（m）最小最大平均煤层间距（m）最小最大平均煤层结构煤层稳定程度顶底板岩性夹矸层数顶板底板10.322.811.14274.514较稳定泥岩粉砂岩泥岩粉砂岩21.132.341.7414较稳定泥岩粉砂岩泥岩粉砂岩13272130.731.871.3413较稳定泥岩砂砾岩泥岩砂砾岩22027824480.551.831.0012较稳定泥岩粉砂岩泥岩粉砂岩5151090.331.360.9612较稳定炭质泥岩粉砂岩泥岩砂岩表1-4 可采煤层煤质指标表 煤层号化验结果1号2号3号工业分析Ma.d(%)水分1.663.982.481.244.762.421.223.422.06Ad(%)灰分27.7542.5535.1915.0439.5727.8119.3245.8632.86Vdaf(%)挥发分38.5646.4643.1037.5747.3541.4137.2448.0542.76St.d(%)硫0.431.190.650.231.620.630.351.200.63Pd(%)磷0.0100.0130.0120.0120.090.0390.0080.070.035Qgr.rd(MJ/kg)发热量19.6028.8821.8714.9831.3724.7618.0529.2324.21视密度1.541.461.46煤质气煤二号气煤二号气煤二号第五节 矿井通风及瓦斯情况1、龙马煤矿采用主井入风，副井回风的中央并列式通风，通风方法为抽出式，地面安装2台轴流式主要通风机，主要通风机型号为FBCDZ.17/2X90kw，电动机功率290kW，转速980r/min，额定风量18004800m3/min，风压5003400Pa，一使， 一备，主井入风量2527m3/min、副井回风量2598m3/min；负压1430Pa。总等积孔为1.36m2。电压等级660V，反风采用电机反转反风。2、依据吉林省安全生产监督管理局2014年瓦斯等级鉴定批复(吉安监煤矿审字【2015】8号)，矿井相对瓦斯涌出量6.62m3/t，绝对瓦斯涌出量3.48m3/min；回采工作面最大瓦斯涌出量0.8m3/min，掘进工作面最大瓦斯涌出量0.5m3/min，矿井二氧化碳相对涌出量4.07m3/t，绝对瓦斯涌出量2.14m3/min；为瓦斯矿井。3、依据吉林省能源局吉林省能源局关于吉煤集团2012年度矿井瓦斯等级鉴定结果的批复(吉能审批【2012】379号)，矿井相对瓦斯涌出量4.06m3/t，绝对瓦斯涌出量3.18m3/min；回采工作面最大瓦斯涌出量2.25m3/min，掘进工作面最大瓦斯涌出量0.36m3/min，矿井二氧化碳相对涌出量3.2m3/t，绝对瓦斯涌出量2.51m3/min；为瓦斯矿井。依据2016年3月及4月正常生产期间的瓦斯报表及测风报表，统计出矿井副斜井(回风斜井)风量约为2850m3/min，回风瓦斯浓度在0.10.23%之间；208综采面风量约为536m3/min，回风瓦斯浓度在0.050.47%之间。可以粗略计算出矿井瓦斯涌出量共计2.556.56m3/min，平均为3.88m3/min。其中208综采面瓦斯涌出量0.272.48m3/min，平均为1.01m3/min。目前，矿井主要采用工作面回风顺槽打高位钻孔抽放采空区顶板瓦斯和采空区浮抽结合的方式进行瓦斯综合治理，通过在回采巷道布置高位钻孔抽采回采时冒落裂隙带瓦斯和浮抽回采区域瓦斯。4、依据吉林东北煤炭工业环保研究有限公司2013年3月7日提供的煤尘爆炸性检验报告，1号煤层煤样抑制煤尘爆炸最低岩粉量15%，火焰长度30mm，鉴定结论为有爆炸性；2号煤层煤样抑制煤尘爆炸最低岩粉量0%，火焰长度0mm，鉴定结论为无爆炸性；3号煤层煤样抑制煤尘爆炸最低岩粉量0%，火焰长度0mm，鉴定结论为无爆炸性。5、依据吉林东北煤炭工业环保研究有限公司2013年3月7日提供的煤层自燃倾向性检验报告，1号煤层煤样吸氧量0.34cm3/g，鉴定结论为类不易自燃；2号煤层煤样吸氧量0.32cm3/g，鉴定结论为类不易自燃；3号煤层煤样吸氧量0.31cm3/g，鉴定结论为类不易自燃。第三章 压裂施工程序设计根据压裂施工区域的范围、煤厚、标高、埋深、顶底板起伏、倾角变化、地质构造、煤体结构、煤岩体力学结构特征、瓦斯含量和压力、开采方式、现有钻孔条件等因素设计压裂孔的位置、考察压裂半径等，确定压裂施工参数以及最佳布孔方案。第1节 压裂施工地点概况208综采工作面工作面位于矿井+110+145m水平南翼，南为珠子河边界、北12003工作面，北为井田中间岩墙侵入煤层断失的自然边界，尺寸：平均长300m，平均宽100m。地面标高+560m，煤层底板标高+90m+134m，最埋深约为470m.所采煤层为2号煤层，煤层厚度1.802.70m，平均厚度2.25m。该煤层为单一煤层，稳定。煤层倾角平均8。煤层大体呈单斜构造，煤层走向南北，倾向大致为西南向东北方向倾斜。水文：该区域水文地质情况简单。该工作面回采区域内没有钻孔，工作面上顺槽有一个断层构造，但不在开采范围内。顶板为粉砂岩，局部为含砂泥岩，底板为粉砂岩。2层下部煤层为3层。2层距3层间距为2.5m，煤层厚度2.5m。现场踏勘：煤的宏观煤岩类型为半亮煤，煤体完整，条带状结构，层状构造，煤中发育有少量的小微构造裂隙，裂隙基本上垂直于煤层层面。内部无矿物充填现象，亦无结核、透镜状夹矸等，整体上煤质纯净，煤体结构完整，反应了较好的成煤物质组成和较稳定的成煤环境。预计压裂过程，裂隙沿煤分层破裂较容易，纵向裂隙易表现垂向煤层层面，并贯穿整个煤层。数据显示2#煤孔隙体积为0.0774m/m。第二节 施工原则龙马煤矿2#煤层煤体结构完整，层理、节理发育，煤的坚固性系数为34，煤的自然解吸量所占比重较大，208综采下顺槽由沈阳煤科院测定的煤层瓦斯参数及瓦斯涌出量报告中显示，损失量2.33m/t、解吸量5.66m/t、残存量1.92m/tr、煤层瓦斯含量4.574.93m3/t、煤层相对瓦斯压力0.72Mpa、透气性系数0.01180.184m2/Mpa2d、钻孔瓦斯流量衰减系数0.09770.099d-1、抽放半径为1m、瓦斯涌出量2.90m/min，因此设计施工坚持“压穿卸压”的原则，即尽可能实现压裂钻孔间相互贯通，形成大的裂缝，从而实现层间卸压，实现自然解吸条件下的煤层瓦斯预抽效率的提高。第三节 压裂钻孔设计一、钻孔参数设计1、压裂孔参数设计为了考察处符合龙马煤矿实际的压裂影响范围，压裂孔参数（间距等）分两个阶段，共试验24个压裂钻孔。第一阶段试验压裂孔的有效半径及封孔方式（2个钻孔）；第二阶段以有效半径进行布孔。第一阶段：在208工作面入风顺槽内，靠近工作面30m距离，同时避开现有煤层瓦斯原始参数测定钻孔至少40m的距离，垂直巷帮向工作面沿煤层施工压裂孔，尽可能保证全孔段在煤层中，钻孔深度55m，共施工5个钻孔，开孔位置距顶板1.5m（可视现场施工条件适当调整）避开构造等如图4-1所示。表4-1 压裂孔施工参数表序号方位角（）倾角 （）孔深（m）孔径（mm）封孔长度（m）孔间距（m)1垂直巷帮沿煤层55113mm202垂直巷帮沿煤层55113mm20103垂直巷帮沿煤层55113mm20204垂直巷帮沿煤层55113mm20305垂直巷帮沿煤层55113mm2030图4-1 第一阶段压裂孔布置平面图2、 抽采孔参数设计压裂区域内的抽采孔平行压裂孔施工，孔间距初步为20m，待压裂试验完毕后再施工抽采孔，根据压裂效果可做适当调整。2、 钻孔封孔煤层巷道开挖后巷道壁周围应力重新分布，由外向内依次形成卸压带、应力集中带和原始应力带，其中卸压带煤体充分卸压、裂隙发育，应力集中带煤体受挤压裂隙闭合；钻孔施工过程中，钻孔周边煤体应力重新分布，产生大量的微小裂隙。钻孔密封段漏风区域由巷道掘进和钻孔施工耦合形成，将钻孔周边裂隙区域划分为钻孔裂隙带、巷道裂隙带、耦合裂隙带和材料裂隙带，这些裂隙带中的裂隙扩展沟通形成钻孔的外联通道，导致钻孔内室与巷道联通。图4-2 瓦斯抽采钻孔周边裂隙区域分布钻孔封孔技术的关键在于有效封闭钻孔封孔段周边4个“裂隙带”减少漏气通道降低封孔段煤体的透气性。由此可知，封孔技术及封孔材料必须解决4个关键问题:封孔能够使抽采管与孔壁之间的环状间隙不漏气避免封孔段周边钻孔裂隙带漏气封孔长度必须超过巷道裂隙带封孔材料凝固后不产生材料裂隙带或产生的材料裂隙带不足以形成漏风通道。研究表明，原始煤体由于受到巷道采动影响后巷道周围煤体的应力会重新分布。根据煤体力学状态的不同，可以将其分为3个区域:卸压区、应力集中区、原始应力区，如图4-3所示。卸压区是由于集中应力超过屈服极限而使煤体边缘首先被破坏，致使强度降低、裂隙发育，只能承受低于原岩应力的载荷。由于卸压区裂隙发育，因而封孔位置应超过卸压区，以此保证封孔效果。应力集中区又可分为峰后应力集中区和峰前应力集中区，按其力学性态，峰后应力集中区煤体为塑性变形，峰前应力集中区煤体为弹性变形，该区域煤体承受较高的地应力作用裂隙逐渐闭合。应力集中区煤体应力增大，透气性降低，因而封孔应以密封煤体应力集中区为主。图4-3 工作面前方煤体中的应力分布状态因此，本煤层钻孔周围煤体的应力分布与煤层巷道密切相关。研究表明以切向应力超过原岩垂直应力5%处为边界线，巷道周围煤体受影响范围(卸压区、应力集中区)一般为巷道断面的35倍。在应力集中区，煤体受高地应力的作用而压缩使煤层透气性系数减小，同时由于此处钻孔周围应力较大钻孔极易发生破坏。先将龙马煤矿二层煤该区域的范围预计距离巷道壁1520m。通过对钻孔周边漏风裂隙带的分析和对钻孔密封段的分析可知，封孔材料和封孔深度要满足4个要求:具有一定的强度，对于钻孔的变形具有一定的支撑力，压裂孔必须满足压裂施工所需的耐高压强度；具有一定致密性，膨胀后不漏气提高钻孔的密封性；具有一定渗透性，可渗入钻孔漏风区域并封堵漏风裂隙；保证封孔长度，不低于12m（根据龙马煤矿巷道掘进宽度3.4m），但压裂孔封孔在保证密封的前提下，还要有足够的长度，以保证原始煤体的柱宽。采购矿用封孔微膨胀水泥具有凝固后不析水、膨胀系数高和膨胀后致密性强、成本较低等特点，能封堵钻孔和渗入钻孔周边裂隙区域保证钻孔气密性。此次试验的压裂孔和区域内的部分抽采钻孔封孔采用“两堵一注，带压封孔”工艺。现场提前预备封孔器、注浆泵、膨胀水泥等封孔材料及设备，按照图4-4封孔流程进行封孔，压裂孔封孔深度20m，抽采孔封孔深度20m。图4-4 带压封孔流程图 图4-5 “两堵一注，带压封孔”钻孔封孔施工示意图封孔工艺： 将封孔器(长度按压裂孔20m、抽放孔20m定制）捆绑在封孔管上（封孔管穿过囊袋），扎绑牢固，一并送入到钻孔中。 检查封孔泵等，调好出口压力1.6MPa至1.8MPa。 连接注浆管和注浆泵开始注浆（按膨胀水泥说明要求配比），此时两端囊袋率先膨胀起来，支撑孔壁。 当出口压力达到1.6至1.8MPa时，爆破阀爆破，压力下降，开始注堵中间段，调整注浆泵输出压力至1.8MPa左右，直至注浆泵出现注浆困难为止，注浆完成，清洗注浆泵。封孔注浆过程中浆液带压，浆液能有效浸入钻孔周围裂隙，保证封孔段的整体密封。注浆过程简单易掌握，一次注浆即可完成封孔，封孔效率高。第四节 泵注参数一、破裂压力破裂压力的确定依据公式：其中：K不均衡系数，取1.01.5；为破裂压力，MPa； 其中：上覆基岩岩层比重，kg/m3；岩层厚度，m；岩石的抗拉强度，MPa，一般取2.0 MPa。管道摩阻，MPa。一般为管内压力的1020%，可先按照15%选取(此次压裂注水泵的最大量程为50MPa)。本次试验水力压裂地点208综采工作面区域的上覆岩石厚度累计400m，取上覆岩石平均值为2.5。据此上述公式可得出：二、总注水量注水量的确定依据公式：其中：注水影响体体积，m3；为影响体孔隙率，%；为影响体长度，m； 为影响体宽度，m；为影响体高度，m；注水量需要根据本项目实施地点的地质条件及初步试验的水力压裂范围逐步优化确定。在注水形成压力之前，需充填压裂泵组至压裂孔的管道已经压裂孔，此处需要的水量约为：其中：为充填管道和压裂孔所需水量，m3；、分别为充填管道所需水量、管道半径和管道长度，m3；、分别为充填压裂孔所需水量、压裂孔半径和压裂孔长度，m3；因此，压裂所需总注水量为以上两部分之和。第五节 压裂工序（1）调试乳化液泵。（2）敷设高压管路，与压裂设备相连。（3）按要求施工压裂钻孔。（4）压裂孔封孔。（5）高压管路试压、检漏。（6）高压管路连接压裂孔。（7）停电、撤人，设置警戒。（8）按照设计压裂顺序实施压裂。压裂1号孔，若距离其10m处的2号孔出水，则利用堵头把2号孔堵上，继续压裂1号孔，观察距离1号孔30米的3号孔是否出水，若出水压裂结束，若钻孔没出水但煤壁出水压裂结束；压裂5号孔，若距离其30m处的4号孔出水压裂结束，若4号钻孔没有出水但煤壁出水压裂结束。（9）压裂结束30分钟后，由救护队员进入压裂地点查看。（10）压裂后测试压裂效果考察参数。第六节 压裂泵摆放和管路敷设压裂泵采用龙马综采工作面原有正在使用的MRZB-31.5/200型乳化泵。高压管路选取32mm高压压裂专用胶管，接头采用高压快速接头连接，高压管路外端连接专用压裂泵高压输出端，里端连接封孔管。（1）泵站要求乳化泵站放置在+145m水平回风巷交汇处。泵站位于208综采工作面回风和+104上下顺槽回风交汇处、泵站长度18.0m、高度2.5m、宽度8.0m，支护良好、排水良好；0.8m3/min水源、0.5MPa压风、660V-200kW防爆电源，通讯畅通，照明良好，巷道通畅无杂物、无积水。（2）压裂设备运输、安装要求巷道内吊装、对接压裂设备时，压裂设备与巷帮支护、管道和线缆吊挂的距离不得小于0.5m；压裂动力端与巷帮支护的距离应满足设备检查和维修的需要，并不得小于0.7m。（3）高压管路敷设要求高压管路采用泵排出口硬质管路高压胶管压裂孔口的连接方式。压裂泵头朝向管路敷设方向，泵排出口高压硬质管线连接长度不少于20 m；管路接头应涂抹螺纹密封脂，螺纹旋紧扭矩按相关要求选用。压裂泵排出应安装卸压管线，卸压管线畅通、固定可靠，不得加装小于120的弯头。高压管路过风门应通过穿墙孔，不得伤害管路致变形、断裂、刺漏。高压管路沿入风下顺槽下帮就地敷设，放置稳当，不被尖锐物品或重物伤害，不得压、盖、淹。高压胶管连接应采用专用U型卡，不得用铁丝等代替。压裂前，应对高压管路进行试压，试压压力为20MPa，以不渗漏、压力不降为达标；因处理故障等更换的管线，应重新试压。第7节 效果考察1、 第一阶段1号孔5号孔的压裂施工，通过对现场出水点的观测，初步确定压裂半径。利用在压裂孔两侧施工的抽采钻孔，测试其抽采浓度，若浓度较压裂区域外的钻孔提高50%以上，则视为压裂有效影响。两者相互验证，确定有效压裂半径。其中，钻孔抽采浓度和矿方现有的抽放钻孔进行对比。2、 另外，自主测试煤层瓦斯残存量，间隔不等时间段（可根据回采计划安排确定），进行压裂区域内煤层残存瓦斯含量的测定，根据测定的参数瓦斯含量，自定预抽期。3、 利用在回采巷道安装的瓦斯传感器，观测压裂施工过程中的瓦斯涌出情况。第四章 压裂装备煤矿井下压裂系统由乳化泵、供水系统、高压管路系统等组成。压裂高压管路长度，无缝压裂钢管长度等根据需要配备。压裂泵采用龙马综采工作面原有正在使用的MRZB-31.5/200型乳化泵，乳化泵供电电压配备660V电源，负荷125kw ,由可拆分的泵和防爆电机两个橇架和水箱构成。高压管路选取32mm高压压裂专用胶管，接头采用高压快速接头连接，高压管路外端连接专用压裂泵高压输出端，里端连接封孔管。水箱采用乳化泵配套专用水箱。高压管路选用内径32mm乳化液高压管。 图5-1 压裂设备连接图第五章 安全防护技术措施严格遵循四位一体综合防突措施，参照河北煤层气公司发给珲矿集团的区域定向控制压裂、施工危险等级划分、多重安全综合防护、压裂施工组织管理和突发事件应急救援“五位一体”安全施工体系，严格按照施工组织施工，确保安全。第一节 压裂施工安全防护技术措施一、封孔安全技术措施1、钻孔封孔注浆前，施工人员要熟悉钻孔封孔工艺，严格要求配比好所需封孔注浆材料。2、 封孔注浆前，施工人员要对钻孔进行检查，钻孔封孔段要通畅。否则需采取措施，进行扫孔。待符合要求后，才能进行封孔作业。注浆前，要试运转注浆泵，确保注浆泵气密性完好，压力不外泄，注浆泵压力输出端严禁站人。3、 严格按顺序下封孔管，确保套数量及种类符合要求，各套管间连接紧密确保不漏气。4、 严格按设计要求将封孔管下到封孔深度。5、注浆时，需注意以下事项：不允许正对孔口或注浆泵压力输出端位置工作。开启注浆泵前，要确保输入端和输出端管路连接紧密，各类闸阀(含卸压阀)均安装到位，可正常使用无泄露。浆料必须按比例调配。注浆泵开启后，要仔细观察注浆情况：正常情况下，注浆量要确保充足；异常情况下(如不上浆或憋泵)要立即停止注浆，关闭注浆泵，查明原因。若需检查管路必须打开卸压阀，卸压后，方可进行检查。注浆完毕，停泵泄压后，才能拆卸注浆泵输入端和输出端管路。注浆完毕，及时用清水清洁注浆泵和输出端管路，防止浆料凝固造成注浆泵和输出端管路损坏。配料时，严禁在泵运转过程中直接将手伸入到配料箱加料，避免搅拌时伤人。二、压裂施工安全技术措施1、为使水力压裂顺利进行，确保安全，成立井下水力压裂领导小组。（1）水力压裂领导小组组成：组 长： 商宝田副 组 长： 张立波 王志刚成 员： 韩 松 张文明 尚世新 李延辉 张俊生 胡东坤 胡成坤 宋师良 张金炼 王海波（2）组织措施水力压裂期间，有一名小组领导在矿调度室指挥，井下由一名小组领导负责现场指挥。1、调度室负责总体组织实施并负责信息的传达和联络，按领导小组指令做好调度。负责协调注浆泵下井、安置、安装与调试和乳化泵的开启注液和停运工作。2、通风科负责压裂技术资料的提供，负责瓦斯抽采数据的收集和整理。3、通整段负责抽放管路连接和负责现场钻孔施工。并保证通风系统畅通及设施完善；4、监控室根据要求安设瓦斯抽采传感器和保证通讯系统灵敏可靠，泵站适当位置设置瓦斯传感器并安装瓦斯电闭锁装置，断电值为0.5%，断电范围为泵站附近所有电源。负责在各警戒点设置直通调度室的电话5、安全科负责安全措施的监督检查和措施落实。安排人员负责压裂作业期间警戒和安全监护，并向调度室汇报人员撤离情况。6、机运段负责停电、复电。 负责在泵站和警戒点处安装足够数量的压风自救。7、加强高压管路系统的维护管理，安装后必须对高压管路系统进行认真全面的检查，使用前必须对高压管路进行洗管、耐压测试，发现异常必须立即处理，否则不得进行高压压裂操作。8、压裂前一天由调度室通知所有参与压裂施工单位以及邻近压裂地点影响区域的施工单位，向本队职工贯彻相应的安全技术措施及避灾路线。异常时由调度室通知各施工单位按避灾路线迅速撤离。9、在压裂地点左右各58m范围内进行巷道加固。压裂实施前，压裂地点及压裂地点影响区域的人员必须撤离208工作面所有回风流经巷道风门以外，并设置警戒，乳化泵司机使用远控开关撤到104回风巷距乳化泵15m以外。并由当班安全员负责清点人员无误后向调度室汇报人员撤离情况。10、压裂前，由调度室落实施工地点及压裂地点影响区域的停电及撤人情况，全部落实到位后通知现场负责人开始压裂工作。11、压裂时水压要逐渐加压，起始水压应在10MPa以下。12、压裂实施期间，警戒人员要切实负责，严禁人员进入施工地点及压裂地点影响区域。13、压裂实施期间，高压管路附近不得逗留，如必须经过要事先请示，允许后必须快速通过。14、压裂施工人员必须与指挥中心保持联系，压裂期间每1015分钟汇报一次。15、乳化泵必须由专职司机操作，专职司机必须按章操作，密切关注乳化泵泵泵压、流量，泵箱水位，防止排空，若出现紧急情况或供水不及时，必须立即停泵。16、压裂现场施工人员必须服从命令、听从指挥。17、压裂期间，监测中心必须实时监测压裂施工地点瓦斯浓度、风量变化等情况并打印记录，发现异常必须立即汇报指挥中心。18、乳化泵停泵后，当压力表指示降到4MPa以下时，方可在泵站打开卸压阀门放水卸压。 19、压裂结束30分钟后，无异常情况，工程技术人员方可现场检查，确认无异常情况后，方可宣布压裂工作结束，并通知调度室，由调度室通知相关施工单位恢复正常工作。20、所有入井人员必须配戴隔离式自救器。21、施工人员及管理干部必须严格落实安全措施。其它未尽事宜按煤矿安全规程和防突规定执行。第二节 避灾路线压裂区域208下顺槽+145m主井石门+145主井筒地面。第六章 需要配套的设备及材料1、2寸无缝钢管及接头，钢管壁厚满足不少于30MPa抗压强度150m。2、矿压封孔膨胀水泥1吨。3、注将泵一台，型号ZBQ22/1.0。4、封孔器20米/根 10根。5、封孔器30米/根 10根。6、MRZB-31.5/200型乳化泵一套。7、100/100光干涉式瓦斯检定器一台。8、乳化泵站设置卸压阀门及压力表和流量计，供水量不小于1m3/min。