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摘要：煤矿瓦斯灾害防治是全世界产煤国面临的共同难题，有效治理瓦斯是实现我国煤矿安全开采的技术保障。本研究将地面压裂技术移植井下，结合煤矿生产实际情况，研究开发了井下水力压裂泵组、基于WIFI的井下压裂监控系统、井下压裂专用操作指挥舱等关键技术和装备，制定了井下压裂工艺与安全保障体系并在多家煤矿进行了工业应用，效果显著。井下压裂关键技术和装备的有效研发，是井下压裂技术成功应用的保证。
关键词：煤矿瓦斯治理井下压裂装备
中图分类号：X752文献标识码： A
1 引言
水力压裂技术是改造低渗透储集层，使其达到工业性开采经济有效的增产措施之一，广泛应用于油、油气藏、煤层气藏，以及地热井资源的开采中，并取得了良好的增产效果[1]。近年来，随着瓦斯、冲击地压等灾害防治的难度不断增大，煤矿灾害已成为制约我国煤炭行业可持续发展的关键因素[2-4]。河南省煤层气开发利用有限公司及多家科研、高校和生产单位，根据煤矿安全高效生产的需要，以煤与瓦斯突出机理为指导，按照自主原始创新、集成创新和引进消化吸收创新的思想，结合煤矿巷道工程及采动影响，研发了成套技术及装备，成功地将地面压裂技术移植井下。在河南平顶山、鹤壁、焦作、义马、贵州六枝等矿区上千次现场应用表明，井下压裂技术在增大煤层渗透率、提高瓦斯抽采量、降低煤与瓦斯突出危险性、防治冲击地压、改善工作面作业环境等方面效果显著。国内相关专家认为井下压裂技术在单一低渗煤层区域瓦斯治理和利用方面开创了一条新途径。
2 井下压裂基本原理
煤矿井下压裂是根据煤矿生产实际情况，利用煤矿生产活动造成的采动影响，结合井巷工程对煤层实施定向压裂增透。其基本原理是利用高压流体对煤层双重孔裂隙介质体的劈裂作用，克服最小主应力和煤岩体的破裂压力，通过气固液多相多场耦合，使弱面发生张开、扩展和延伸[5]。一方面原生孔裂隙的张开和扩展，增加了煤体孔隙率，另一方面原生孔裂隙的延伸增加了裂隙之间的连通，从而形成相互交织的多裂隙连通网络，增加了瓦斯的运移通道，正是由于这种裂隙连通网络的形成，致使煤层的渗透率大大提高，煤体实现整体均勻卸压，吸附瓦斯快速解析，从而增加瓦斯抽采量，消除煤与瓦斯突出的危险性。
在层理或切割裂隙张开度增大的过程中，其张开壁面的切向拉应力增加，当在某位置的切向拉应力大于与此相连的次级弱面的壁面之间的联结力和相应切线方向的应力之和时，将在该位置处发生次级弱面起裂，压裂液在压力作用下将进入其中，同样发生上一级弱面所经历的扩展延伸过程。依此规律连续发展下去，直至达到煤分层中的微裂隙，起到对煤层的逐级分割作用（如图1所示）。通过以上分析可知，压裂液对煤层的压裂过程，是通过各级裂隙弱面产生内压，从而导致裂隙弱面在空间上发生扩展和延伸来实现的，是建立在原始裂隙弱面的基础上扩展延伸以致相互贯通的分解过程，并不是产生新的裂隙而对煤体产生压裂分解的过程。
1—一级弱面；2—二级弱面；3—三级弱面
图1压裂液流动次序示意图
根据以上分析可知，要实现煤体破裂并保持裂隙的不断扩展延伸和沟通，单位时间内必须保证足够的压力和流量。因此，压裂增透的前提必须具有高压力、大流量压裂装备；同时要掌握高压封孔技术，保证压裂期间不泄压、不漏压；另外井下作业环境复杂，不但对装备技术性能要求高，而且对压裂作业配套技术和措施也有严格要求。井下压裂是一个成套的系统工程，每一个环节控制不好都可能导致压裂失败。
3 井下压裂关键技术及装备
3.1 井下高压水力压裂泵组
大型煤层气地面压裂装备多采用柴油机提供动力，设备庞大，受井下作业环境限制，地面压裂设备不能简单地移植到煤矿井下实施作业。以往煤矿瓦斯治理水力措施中曾经采用煤层注水，但由于煤矿现有设施设备能力有限，未达到压裂疏松煤体的作用。这也是长时间以来压裂技术没有在井下推广应用的一个重要原因。课题组根据井下作业环境的实际情况，研制了大流量、高压力、体积小、操控简便的井下专用压裂泵组（见图2），满足了井下压裂设备性能要求，保证了压裂安全有效进行。
图2井下高压水力压裂泵组实物图
3.2 基于WIFI的井下压裂监控系统
煤矿井下作业环境复杂，井下压裂属于高技术高危险作业，为保障压裂安全同时有效监测压裂效果，课题组研发了基于WIFI（全称Wireless Fidelity 通过无线电波连网）的井下压裂监控系统（见图3）。控制系统可以在地面控制中心、井下控制中心或就地实现对压裂泵机组与工作面环境的监控。整个系统主要由地面操作主站、隔爆兼本安操作主站、隔爆兼本安智能控制分站、基于WiFi的井下无线传感器网络智能节点、压裂泵机组以及相配套软件系统组成。该系统采用无线与有线相结合的传输方式，将气体检测装置、离层监测装置、位移监测装置、低功耗无线摄像仪以及无线喇叭与拾音装置采集到的各种数据信息，通过WiFi无线传输至本安型智能控制分站。操作人员可以实时地掌握工作煤壁的各种物理现象变化和巷道中气体含量的变化，遥控压力泵机组的运转，避免了操作人员深入现场操控压裂设备，保障了操作人员的安全。
图3井下压裂监控系统实物图
3.2 井下压裂专用操作指挥舱
多年来，我国煤与瓦斯突出、瓦斯煤尘爆炸、冒顶、透水等引发的矿难时有发生，尽管相关部门积极应对，但矿难发生的偶然性和不可预见性依然使其成为一个复杂的问题[6]。针对煤炭开采过程中的煤与瓦斯突出问题，课题组提出了突出矿难救援从“被动待援”到“主动自救和外部救援”相结合的应急救生理念，组织研究开发了KCZC900-5矿用操作指挥舱。
矿用操作指挥车由底座、舱体、密封门、观察窗、排污系统、单向泄压阀、进风系统及水电系统等组成。具有防爆、防火、防毒、防水、防震功能，为矿井发生事故后无法及时撤离的相关作业人员提供一个安全的密闭空间，隔离有毒有害气体。前部布置适当数量的栅栏能抵御100t当量TNT爆炸冲击，对内能为被困人员提供氧气、食物、水，隔绝有毒有害气体，提供生存待救条件，同时通过舱内通讯监测设备，引导外界救援。配备通讯、监测仪器和控制面板，总体控制、指挥施工进度。能方便地利用井下动力牵引至施工地点。
图4井下压裂专用操作指挥舱
3.5 压裂工艺与安全保障体系
煤层是一种非常规储气层，物理性质特殊，井下压裂从工艺到设备与其他储气层和地面煤层气井压裂有着不同的要求，加之煤矿井下作业环境复杂，时刻面临水、火、瓦斯、顶板、瓦斯突出、冲击地压等多种灾害因素，而且作业空间狭小，通风照明等作业条件。根据煤矿井下实际情况结合压裂技术的特点，形成了本煤层压裂、煤层顶板抽放巷深孔压裂、煤层底板抽放巷深孔压裂等多种压裂方式；明确了煤矿井下压裂施工的压裂孔设计、施工组织管理和施工操作等事项；建立了以人为本的安全防护措施、施工工艺及组织原则，加强煤矿井下压裂施工安全管理、实施规范操作。
4 煤矿井下压裂应用及效果
2013年3月压裂后，在河南某矿11041工作面轨道顺槽实施了强化抽采钻孔，孔间距5m，距离压裂孔越近抽采量越高，到8#孔基本上与常规抽采孔抽采量一致，说明裂缝影响20米。
瓦斯浓度
/% 瓦斯流量
/m3/min 抽采总量
/m3 提高倍数
1#孔 14.73 0.376 3765.066 117.7
2#孔 1.52 0.0343 419.314 13.2
3#孔 2.24 0.1 1011.128 31.6
4#孔 0.377 0.00742 80.647 2.5
5#孔 0.29 0.0057 75.685 2.4
6#孔 0.24 0.00509 51.403 1.6
8#孔 0.174 0.00318 32.098
表1
神火集团梁北矿为煤与瓦斯突出矿井，煤体硬度系数0.15~0.3，煤层透气性系数极差，属于较难抽放“三软”煤层。2009年6月在11141工作面底抽巷实施了12孔次压裂施工，单次注入水量44~86m3/次，施工压力17~30MPa。4#钻场压裂后，相距60余米的0#钻场瓦斯抽采情况明显改善，显著提高，可见，压裂影响到了60m外的抽采孔。
表2
压裂前 压裂后 提高倍数
单孔瓦斯浓度/% 4.4 95 23.7
单孔流量/ m3/min 0.005 0.245 49
日抽采总量/m3/d 237.9 1404.4 5.92
焦作矿区断裂和褶皱多，构造煤比较发育。2010年10月份以来，焦作矿区的演马庄矿井在22071工作面实施压裂施工，压裂后，单孔最高抽采量为849.6m3/d；平均抽采量为383m3/d，是压裂前的19倍；至2009年10月27日单孔总抽采量达26785 m3。
井下压裂改变了煤体及其围岩的应力分布，有效地消除了冲击地压，软化了硬岩顶板，改善了生产过程中的顶板管理，煤体内部含水量大幅增加，降低了采动产尘量，改善了工作面作业环境，有效阻止了煤层自然发火。
5 结论及建议
（1）由于自然因素作用，我国大部分煤层瓦斯含量高、透气性系数低，瓦斯抽采量难以达标，煤矿瓦斯灾害严重。井下压裂关键技术与装备的研发以及成功应用，对改善我国煤矿瓦斯治理现状、提高煤层气开发效率意义重大。
（2）河南、山西、贵州等多个矿区高瓦斯突出矿井上千次现场应用效果表明，对单一、松软、低渗煤层实施压裂增透，能够大幅度增加煤层透气性，极大地降低了区域瓦斯治理工程成本，降低了工作面煤與瓦斯突出危险性，提高了生产效率。
（3）煤矿井下作业环境复杂，井下压裂属于高技术高危险作业，因此，井下压裂必须编制严密安全技术措施，由经过严格培训的专业化队伍施工，才能更好的为煤矿安全生产和煤层气开发服务。
参考文献：
[1] 雷群，胥云. 2008年低渗透油气藏压裂酸化技术新进展[M].北京：石油工业出版社，2008.
[2] 李希建, 徐明智. 近年我国煤与瓦斯突出事故统计分析及其防治措施[J].矿山机械，2010，38（10）：13-16.
[3] 袁亮. 瓦斯治理理念和煤与瓦斯共采技术[J]. 中国煤炭, 2010，38（6）：5-12.
[4] 申宝宏, 刘见中. 我国煤矿瓦斯治理的技术对策[J]. 煤炭学报, 2007，32（7）：673-679.
[5] 张国华.本煤层水力压裂致裂机理及裂隙发展过程研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2003.
[6] 郭勇义，何学秋，林柏泉. 煤矿重大灾害防治战略研究与进展[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.
[7] 姜光杰，孙明闯、付江伟.煤矿井下定向压裂增透消突成套技术研究及应用[J].中国煤炭，2009.35（11）：10-14.
关键词：煤矿瓦斯治理井下压裂装备
中图分类号：X752文献标识码： A
1 引言
水力压裂技术是改造低渗透储集层，使其达到工业性开采经济有效的增产措施之一，广泛应用于油、油气藏、煤层气藏，以及地热井资源的开采中，并取得了良好的增产效果[1]。近年来，随着瓦斯、冲击地压等灾害防治的难度不断增大，煤矿灾害已成为制约我国煤炭行业可持续发展的关键因素[2-4]。河南省煤层气开发利用有限公司及多家科研、高校和生产单位，根据煤矿安全高效生产的需要，以煤与瓦斯突出机理为指导，按照自主原始创新、集成创新和引进消化吸收创新的思想，结合煤矿巷道工程及采动影响，研发了成套技术及装备，成功地将地面压裂技术移植井下。在河南平顶山、鹤壁、焦作、义马、贵州六枝等矿区上千次现场应用表明，井下压裂技术在增大煤层渗透率、提高瓦斯抽采量、降低煤与瓦斯突出危险性、防治冲击地压、改善工作面作业环境等方面效果显著。国内相关专家认为井下压裂技术在单一低渗煤层区域瓦斯治理和利用方面开创了一条新途径。
2 井下压裂基本原理
煤矿井下压裂是根据煤矿生产实际情况，利用煤矿生产活动造成的采动影响，结合井巷工程对煤层实施定向压裂增透。其基本原理是利用高压流体对煤层双重孔裂隙介质体的劈裂作用，克服最小主应力和煤岩体的破裂压力，通过气固液多相多场耦合，使弱面发生张开、扩展和延伸[5]。一方面原生孔裂隙的张开和扩展，增加了煤体孔隙率，另一方面原生孔裂隙的延伸增加了裂隙之间的连通，从而形成相互交织的多裂隙连通网络，增加了瓦斯的运移通道，正是由于这种裂隙连通网络的形成，致使煤层的渗透率大大提高，煤体实现整体均勻卸压，吸附瓦斯快速解析，从而增加瓦斯抽采量，消除煤与瓦斯突出的危险性。
在层理或切割裂隙张开度增大的过程中，其张开壁面的切向拉应力增加，当在某位置的切向拉应力大于与此相连的次级弱面的壁面之间的联结力和相应切线方向的应力之和时，将在该位置处发生次级弱面起裂，压裂液在压力作用下将进入其中，同样发生上一级弱面所经历的扩展延伸过程。依此规律连续发展下去，直至达到煤分层中的微裂隙，起到对煤层的逐级分割作用（如图1所示）。通过以上分析可知，压裂液对煤层的压裂过程，是通过各级裂隙弱面产生内压，从而导致裂隙弱面在空间上发生扩展和延伸来实现的，是建立在原始裂隙弱面的基础上扩展延伸以致相互贯通的分解过程，并不是产生新的裂隙而对煤体产生压裂分解的过程。
1—一级弱面；2—二级弱面；3—三级弱面
图1压裂液流动次序示意图
根据以上分析可知，要实现煤体破裂并保持裂隙的不断扩展延伸和沟通，单位时间内必须保证足够的压力和流量。因此，压裂增透的前提必须具有高压力、大流量压裂装备；同时要掌握高压封孔技术，保证压裂期间不泄压、不漏压；另外井下作业环境复杂，不但对装备技术性能要求高，而且对压裂作业配套技术和措施也有严格要求。井下压裂是一个成套的系统工程，每一个环节控制不好都可能导致压裂失败。
3 井下压裂关键技术及装备
3.1 井下高压水力压裂泵组
大型煤层气地面压裂装备多采用柴油机提供动力，设备庞大，受井下作业环境限制，地面压裂设备不能简单地移植到煤矿井下实施作业。以往煤矿瓦斯治理水力措施中曾经采用煤层注水，但由于煤矿现有设施设备能力有限，未达到压裂疏松煤体的作用。这也是长时间以来压裂技术没有在井下推广应用的一个重要原因。课题组根据井下作业环境的实际情况，研制了大流量、高压力、体积小、操控简便的井下专用压裂泵组（见图2），满足了井下压裂设备性能要求，保证了压裂安全有效进行。
图2井下高压水力压裂泵组实物图
3.2 基于WIFI的井下压裂监控系统
煤矿井下作业环境复杂，井下压裂属于高技术高危险作业，为保障压裂安全同时有效监测压裂效果，课题组研发了基于WIFI（全称Wireless Fidelity 通过无线电波连网）的井下压裂监控系统（见图3）。控制系统可以在地面控制中心、井下控制中心或就地实现对压裂泵机组与工作面环境的监控。整个系统主要由地面操作主站、隔爆兼本安操作主站、隔爆兼本安智能控制分站、基于WiFi的井下无线传感器网络智能节点、压裂泵机组以及相配套软件系统组成。该系统采用无线与有线相结合的传输方式，将气体检测装置、离层监测装置、位移监测装置、低功耗无线摄像仪以及无线喇叭与拾音装置采集到的各种数据信息，通过WiFi无线传输至本安型智能控制分站。操作人员可以实时地掌握工作煤壁的各种物理现象变化和巷道中气体含量的变化，遥控压力泵机组的运转，避免了操作人员深入现场操控压裂设备，保障了操作人员的安全。
图3井下压裂监控系统实物图
3.2 井下压裂专用操作指挥舱
多年来，我国煤与瓦斯突出、瓦斯煤尘爆炸、冒顶、透水等引发的矿难时有发生，尽管相关部门积极应对，但矿难发生的偶然性和不可预见性依然使其成为一个复杂的问题[6]。针对煤炭开采过程中的煤与瓦斯突出问题，课题组提出了突出矿难救援从“被动待援”到“主动自救和外部救援”相结合的应急救生理念，组织研究开发了KCZC900-5矿用操作指挥舱。
矿用操作指挥车由底座、舱体、密封门、观察窗、排污系统、单向泄压阀、进风系统及水电系统等组成。具有防爆、防火、防毒、防水、防震功能，为矿井发生事故后无法及时撤离的相关作业人员提供一个安全的密闭空间，隔离有毒有害气体。前部布置适当数量的栅栏能抵御100t当量TNT爆炸冲击，对内能为被困人员提供氧气、食物、水，隔绝有毒有害气体，提供生存待救条件，同时通过舱内通讯监测设备，引导外界救援。配备通讯、监测仪器和控制面板，总体控制、指挥施工进度。能方便地利用井下动力牵引至施工地点。
图4井下压裂专用操作指挥舱
3.5 压裂工艺与安全保障体系
煤层是一种非常规储气层，物理性质特殊，井下压裂从工艺到设备与其他储气层和地面煤层气井压裂有着不同的要求，加之煤矿井下作业环境复杂，时刻面临水、火、瓦斯、顶板、瓦斯突出、冲击地压等多种灾害因素，而且作业空间狭小，通风照明等作业条件。根据煤矿井下实际情况结合压裂技术的特点，形成了本煤层压裂、煤层顶板抽放巷深孔压裂、煤层底板抽放巷深孔压裂等多种压裂方式；明确了煤矿井下压裂施工的压裂孔设计、施工组织管理和施工操作等事项；建立了以人为本的安全防护措施、施工工艺及组织原则，加强煤矿井下压裂施工安全管理、实施规范操作。
4 煤矿井下压裂应用及效果
2013年3月压裂后，在河南某矿11041工作面轨道顺槽实施了强化抽采钻孔，孔间距5m，距离压裂孔越近抽采量越高，到8#孔基本上与常规抽采孔抽采量一致，说明裂缝影响20米。
瓦斯浓度
/% 瓦斯流量
/m3/min 抽采总量
/m3 提高倍数
1#孔 14.73 0.376 3765.066 117.7
2#孔 1.52 0.0343 419.314 13.2
3#孔 2.24 0.1 1011.128 31.6
4#孔 0.377 0.00742 80.647 2.5
5#孔 0.29 0.0057 75.685 2.4
6#孔 0.24 0.00509 51.403 1.6
8#孔 0.174 0.00318 32.098
表1
神火集团梁北矿为煤与瓦斯突出矿井，煤体硬度系数0.15~0.3，煤层透气性系数极差，属于较难抽放“三软”煤层。2009年6月在11141工作面底抽巷实施了12孔次压裂施工，单次注入水量44~86m3/次，施工压力17~30MPa。4#钻场压裂后，相距60余米的0#钻场瓦斯抽采情况明显改善，显著提高，可见，压裂影响到了60m外的抽采孔。
表2
压裂前 压裂后 提高倍数
单孔瓦斯浓度/% 4.4 95 23.7
单孔流量/ m3/min 0.005 0.245 49
日抽采总量/m3/d 237.9 1404.4 5.92
焦作矿区断裂和褶皱多，构造煤比较发育。2010年10月份以来，焦作矿区的演马庄矿井在22071工作面实施压裂施工，压裂后，单孔最高抽采量为849.6m3/d；平均抽采量为383m3/d，是压裂前的19倍；至2009年10月27日单孔总抽采量达26785 m3。
井下压裂改变了煤体及其围岩的应力分布，有效地消除了冲击地压，软化了硬岩顶板，改善了生产过程中的顶板管理，煤体内部含水量大幅增加，降低了采动产尘量，改善了工作面作业环境，有效阻止了煤层自然发火。
5 结论及建议
（1）由于自然因素作用，我国大部分煤层瓦斯含量高、透气性系数低，瓦斯抽采量难以达标，煤矿瓦斯灾害严重。井下压裂关键技术与装备的研发以及成功应用，对改善我国煤矿瓦斯治理现状、提高煤层气开发效率意义重大。
（2）河南、山西、贵州等多个矿区高瓦斯突出矿井上千次现场应用效果表明，对单一、松软、低渗煤层实施压裂增透，能够大幅度增加煤层透气性，极大地降低了区域瓦斯治理工程成本，降低了工作面煤與瓦斯突出危险性，提高了生产效率。
（3）煤矿井下作业环境复杂，井下压裂属于高技术高危险作业，因此，井下压裂必须编制严密安全技术措施，由经过严格培训的专业化队伍施工，才能更好的为煤矿安全生产和煤层气开发服务。
参考文献：
[1] 雷群，胥云. 2008年低渗透油气藏压裂酸化技术新进展[M].北京：石油工业出版社，2008.
[2] 李希建, 徐明智. 近年我国煤与瓦斯突出事故统计分析及其防治措施[J].矿山机械，2010，38（10）：13-16.
[3] 袁亮. 瓦斯治理理念和煤与瓦斯共采技术[J]. 中国煤炭, 2010，38（6）：5-12.
[4] 申宝宏, 刘见中. 我国煤矿瓦斯治理的技术对策[J]. 煤炭学报, 2007，32（7）：673-679.
[5] 张国华.本煤层水力压裂致裂机理及裂隙发展过程研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2003.
[6] 郭勇义，何学秋，林柏泉. 煤矿重大灾害防治战略研究与进展[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.
[7] 姜光杰，孙明闯、付江伟.煤矿井下定向压裂增透消突成套技术研究及应用[J].中国煤炭，2009.35（11）：10-14.