1、山 东 能 源 新 矿 集 团Shandongnengyuanxinkuangjituan 金黄庄矿业 明德立志 包容超越 1目 录一、项目说明 .2二、压裂地点煤层赋存特征 .31、煤层顶底板情况 32、煤层赋存特征 33、综合柱状图 4三、水力压裂设备选型及安装 .51、压裂设备选择 52、水力压裂材料准备 53、高压系统安装 6四、水力压裂实施方案 .61、水力压裂孔施工位置 62、水压裂工艺流程 63、水力压裂方案实施 7五、安全技术措施 .8六、避灾路线 .11七、效果考察方案 .111、未压裂区域参数考察 112、水力压裂效果考察 123、考察孔施工先后顺序 13山 东 能 源 新
2、 矿 集 团Shandongnengyuanxinkuangjituan 金黄庄矿业 明德立志 包容超越 2金黄庄矿业公司 B103 工作面水力压裂增透试验方案及安全技术措施一、项目说明金黄庄矿业为煤与瓦斯突出矿井， 2012 年 7 月 B102 首采工作面开始施工底板穿层钻孔预抽，2013 年 5 月开始施工煤巷，在瓦斯治理过程中，煤层体现出透气性差、难抽采的特点。为增加煤层透气性，提高预抽穿层钻孔抽采效果，保证矿井安全生产及采掘接替，金黄庄矿业与安徽理工大学合作在B103 工作面底抽巷实施预抽穿层钻孔高压水力压裂技术。利用穿层钻孔对回采区域煤层进行水力压裂作业，使煤体卸压并增加煤层内部裂
3、隙，从而增加煤层透气性，提高预抽穿层钻孔抽采效果。项目由金黄庄矿业总经理朱树来及安徽理工大学刘泽功教授负责，小组成员见下表：姓 名 职 称 专 业 单 位 职责刘泽功 教 授 安全工程 安徽理工大学 负责人朱树来 工程师 采矿工程 金黄庄矿业 负责人蔡 峰 副教授 安全工程 安徽理工大学 成 员刘 健 副教授 安全工程 安徽理工大学 成 员罗吉安 副教授 安全工程 安徽理工大学 成 员马衍坤 博 士 安全工程 安徽理工大学 成 员高 魁 博 士 安全工程 安徽理工大学 成 员山 东 能 源 新 矿 集 团Shandongnengyuanxinkuangjituan 金黄庄矿业 明德立志 包容超
4、越 3曹国华 工程师 安全工程 金黄庄矿业 成 员孔令平 工程师 采矿工程 金黄庄矿业 成 员沈小青 助理工程师 安全工程 金黄庄矿业 成 员二、压裂地点煤层赋存特征1、煤层顶底板情况根据矿井瓦斯治理进度，选择在 B103 工作面进行水力压裂试验项目。根据-800m 南翼辅助运输大巷探煤结果及 B103 工作面上下顺槽底板巷穿层钻孔分析，该区域 B2煤层伪顶为厚度 1.3m 的粉砂岩，灰黑色，裂隙不发育，较坚硬，层理不明显，含植物根部化石；直接顶为厚度 3.0m 左右的细砂岩，灰色，层理发育，质坚硬，有较厚泥岩夹层；老顶为中砂岩，以浅灰白色为主，灰白色、浅灰绿色次之，矿物成分以石英为主，长石次
5、之，泥钙质胶结，具斜层理及未充填斜交裂隙。B 2煤层直接底一般为泥岩，厚度约 1.0m；老底为中砂岩，厚度 16.0m 左右，灰色，裂隙不发育，钙质胶结，坚硬，成分以长石、石英为主，斜层理，缓波状斜层理，局部发育垂直裂隙，泥质充填。2、煤层赋存特征该区域 B2煤层倾向倾角在 15左右，走向倾角 010左右，煤层平均煤厚 2.5m，黑色，以暗煤为主，夹少量亮煤条带，质松软，能搓成粉末，硬度小，强度低。B2煤为 1/3 焦煤，发热量山 东 能 源 新 矿 集 团Shandongnengyuanxinkuangjituan 金黄庄矿业 明德立志 包容超越 4（Qb）平均 24.25MJ/kg,水分（
6、Mad）平均 0.94%,灰分(Ad)含量平均 17.54%,挥发分（Vdaf）平均为 24.98%,磷(Pd)含量小于0.0042%,硫分（St,d）含量 0.44%，真相对密度（TRD）1.50，煤层的粘结指数（GRI）平均为 80。3、综合柱状图压裂位置综合柱状图如下图所示：岩 石 名 称序 号 厚厚灰 色 ， 裂 隙 不 发 育 ， 粉 细 结 构 ， 斜 层 理 、 缓 波 状 层 理 发 育， 偶 见 滑 动 面 ， 局 部 发 育 垂 直 裂 隙 ， 泥 质 充 填 含 植 物 根 部 化 石 。粉 砂 岩 ： 深 灰 色 ， 裂 隙 不 发 育 ， 较 坚 硬 ， 层 理 不
7、明 显 ， 含 植 物 根 部 化 石 。灰 色 ， 裂 隙 不 发 育 ， 钙 质 胶 结 、 坚 硬 ， 中 粒 结 构 ， 块 状 构 造 ，成 分 以 石 英 、 长 石 为 主 ， 含 较 多 暗 色 矿 物 ， 斜 层 理 、 缓 波 状 层 理 发 育 ， 含 水 。黑 色 ， 粉 末 状 ， 以 暗 煤 为 主 ， 夹 少 量 亮 煤 条 带 ， 质 松 软 ， 能 搓 成粉 状 ， 硬 度 小 ， 强 度 低 。灰 色 ， 层 理 发 育 ， 质 坚 硬 ， 有 较 厚 泥 岩 夹 层1中 砂 岩 以 浅 灰 白 色 为 主 ， 浅 灰 色 、 浅 灰 绿 色 次 之 。 矿
8、 物 成 份 以 石 英 为主 ， 长 石 次 之 ， 泥 钙 质 胶 结 ， 具 斜 层 理 及 未 充 填 斜 交 裂 隙 。 2.50614.83568710细 砂 岩B2煤C1煤中 砂 岩粉 砂 岩细 砂 岩 17.4610.891.5737523B0工 作 面 下 顺 槽 综 合 柱 状 图 比 例 尺 ： 1:20描 述 (m)泥 岩一 灰泥 岩三 灰粉 砂 岩泥 岩四 灰泥 岩粉 砂 岩泥 岩粉 砂 岩二 灰五 灰12345167819201231.40393.2010.6516.0753.6灰 黑 色 ， 粉 砂 质 结 构 ， 脆 ， 砂 岩 夹 层 ， 层 部 整 体 性
9、较 好 。灰 黑 色 ， 粉 砂 质 结 构 ， 脆 ， 砂 岩 夹 层 ， 层 部 整 体 性 较 好 。粉 砂 岩 ： 深 灰 色 ， 裂 隙 不 发 育 ， 较 坚 硬 ， 层 理 不 明 显 ， 含 植 物 根 部 化 石 。灰 色 ， 泥 质 结 构 ， 间 分 布 砂 质 泥 岩 ， 性 脆灰 色 ， 泥 质 结 构 ， 间 分 布 砂 质 泥 岩 ， 性 脆粉 砂 岩 ： 深 灰 色 ， 裂 隙 不 发 育 ， 较 坚 硬 ， 层 理 不 明 显 ， 含 植 物 根 部 化 石 。粉 砂 岩 ： 深 灰 色 ， 裂 隙 不 发 育 ， 较 坚 硬 ， 层 理 不 明 显 ， 含
10、植 物 根 部 化 石 。灰 黑 色 ， 粉 砂 质 结 构 ， 脆 ， 砂 岩 夹 层 ， 层 部 整 体 性 较 好 。867214678287132812呈 灰 、 灰 黑 色 ， 硬 度 低 于 小 刀 ， 遇 冷 的 稀 盐 酸 剧 烈 冒 泡 。 主 要 成分 是 方 解 石 。呈 灰 、 灰 黑 色 ， 硬 度 低 于 小 刀 ， 遇 冷 的 稀 盐 酸 剧 烈 冒 泡 。 主 要 成 分 是 方 解 石 。呈 灰 、 灰 黑 色 ， 硬 度 低 于 小 刀 ， 遇 冷 的 稀 盐 酸 剧 烈 冒 泡 。 主 要 成分 是 方 解 石 。呈 灰 、 灰 黑 色 ， 硬 度 低 于
11、 小 刀 ， 遇 冷 的 稀 盐 酸 剧 烈 冒 泡 。 主 要 成分 是 方 解 石 。呈 灰 、 灰 黑 色 ， 硬 度 低 于 小 刀 ， 遇 冷 的 稀 盐 酸 剧 烈 冒 泡 。 主 要 成分 是 方 解 石 。粉 砂 岩 ： 深 灰 色 ， 裂 隙 不 发 育 ， 较 坚 硬 ， 层 理 不 明 显 ， 含 植 物 根 部 化 石 。粉 砂 岩 粉 砂 岩 ： 深 灰 色 ， 裂 隙 不 发 育 ， 较 坚 硬 ， 层 理 不 明 显 ， 含 植 物 根 部 化 石 。4粉 砂 岩 3黑 色 ， 上 部 粉 末 状 ， 下 部 块 状 ， 以 暗 煤 为 主 ，夹 亮 煤 条 带
12、， 块 状 ， 质 地 坚 硬 ， 具 少 量 裂 隙 ， 粉 状 煤 松 软 ， 能 搓 成 粉 末 。粉 砂 岩 ： 深 灰 色 ， 裂 隙 不 发 育 ， 较 坚 硬 ， 层 理 不 明 显 ， 含 植 物 根 部 化 石 。9粉 砂 岩三、水力压裂设备选型及安装1、压裂设备选择1） 、本次水力压裂注水泵选用 BRW200/56X4A-F 型乳化泵（公称压力 56MPa，公称流量 200L/min） 。2） 、连接胶管：选择内径 32mm、耐压强度大于 56MPa 的高压胶管。2、水力压裂材料准备本次水力压裂所需要的设备、材料清单见下表：序号 用途 名称 规格 数量1 矿用钻机 ZYW-
13、3200 1 台2 钻 头 94 2 个3钻孔钻进钻 杆 63.5/73mm*1000mm 60 根4 孔口连接管 1.5 寸 4 根5 连 接 管 1.5 寸 180 根6 调 节 管 配套使用 4 根7 孔口连接座 配套使用 4 根8 导 向 堵头 配套使用 4 根9封孔 筛（注浆）管 配套使用 4 根山 东 能 源 新 矿 集 团Shandongnengyuanxinkuangjituan 金黄庄矿业 明德立志 包容超越 510 铁管 4 分 80m11 水泥 50Kg/袋 10 包12 聚氨酯 A、B 100 套13 注浆泵 ZBL3/4-7.5 1 台14 旋进漩涡流量计 D200
14、1 台15 瓦斯压力传感器 GPD10 2 台16参数测定设备瓦斯传感器 GJC100（A） 2 台17 耐震压力表 050MPa 2 个18 乳化泵（主） BRW200/56X4A-F 1 台19 乳化泵（备） BRW200/56X4A-F 1 台20 高压管接头 32mm 若干21 高压胶管 32mm 300m22压裂设备开关 QJZ-315 2 台3、高压系统安装注水泵安设在-800m 南翼辅助运输大巷内，距压裂地点 100余米。将井下供水管连接至高压乳化泵的水箱进水口，水表安设在泵的进水侧，通过乳化泵加压后，采用 32mm 高压胶管以及快速接头连接到压裂钻孔孔口封孔装置上，再通过连接管
15、封孔装置将高压水流输送至钻孔内（乳化泵必须安设卸压阀） 。四、水力压裂实施方案1、水力压裂孔施工位置设计压裂半径为 25m，终孔位于 B103 工作面设计切眼位置，计划布置 2 个压裂孔，具体见下图。水力压裂孔 1 位于-757m-800m 边界回风上山导 4 地质测点对应 B103 工作面切眼处，水力压裂孔 1 和孔 2 相距 50m。山 东 能 源 新 矿 集 团Shandongnengyuanxinkuangjituan 金黄庄矿业 明德立志 包容超越 6一 采 边 界 回 风 上 山 （ -80 75段 ） 60B13 切 眼B4 B13 上顺槽压 裂 孔 压 裂 孔 2m-75底抽巷
16、里段2、水压裂工艺流程压裂安装准备施工压裂孔测定煤层原始瓦斯含量及含水率压裂钻孔封孔水力压注钻孔保水压裂效果考察施工预抽钻孔考察压裂范围（通过考察预抽钻孔含水量变化）封孔连接抽采并做好记录收集相关数据总结分析。3、水力压裂方案实施1） 、压裂准备工作由机电单位编制 B103 工作面底抽巷高压水力压裂供电设计，施工单位严格按供电设计要求执行。由通防工区负责将 32mm 高压胶管从注水泵出口的高压胶管连接至压裂钻孔孔口。对压裂区域内钻孔利用水泥浆进行封堵。2） 、压裂钻孔施工由通防技术部压裂小组成员按设计方案标定压裂孔施工位置，防突一队严格按设计参数进行钻孔施工，并详细记录见煤岩情况。钻孔施工期间
17、通防技山 东 能 源 新 矿 集 团Shandongnengyuanxinkuangjituan 金黄庄矿业 明德立志 包容超越 7术部、地测技术部安排人员跟班。压裂孔使用直径 94mm 的钻头，施工至煤层底板位置，进行取样测定煤层原始瓦斯含量，取样结束后，继续施工至穿过煤层并在顶板位置处终孔，完成后对钻孔进行测斜。3） 、测定煤层原始瓦斯含量及含水率压裂钻孔施工到煤层顶板前，由通防技术部人员采用 DGC法测定煤层原始瓦斯含量，现场取样化验煤含水量，并做好记录。4） 、压裂钻孔封孔压裂钻孔施工完成后，进行封孔。前端 2m 为花眼管，花眼为长 120cm，宽 8mm 的长槽。花眼管前端 1m 用
18、纱网包裹严实，花眼管要下至孔底，联接管孔口外露不得小于 400mm；同时在孔内下入一根 4 分返浆管至见煤点，孔口外露 200mm，并安设球阀；孔口段另下 4 米长注浆管，孔口外露 200mm，孔口段 2米用聚氨酯进行封堵固定。聚氨酯固孔结束后，利用风动注浆泵注浆。具体的封孔注浆方法（包括多次注浆、高低浓度注浆等） ，实施人员可以灵活掌握，但要保证孔既不会被注实又要保证具有足够的强度且在压裂的过程中不漏水。5） 、高压水力压裂封孔完成并凝固 48 小时后，山 东 能 源 新 矿 集 团Shandongnengyuanxinkuangjituan 金黄庄矿业 明德立志 包容超越 8即对该压裂孔进
19、行高压水力压裂。压裂时，首先将乳化泵压力静压调至 2Mpa，然后开始实施压裂。逐步将压力调至5Mpa、10Mpa、15Mpa、20Mpa、25Mpa、30Mpa。压裂过程中，由通防工区安排专人对乳化泵的压力、流量变化情况、注入水量情况进行统计，直至乳化泵压力上升到最大 30Mpa，乳化泵水箱内水位不再下降，注不进水时，方可结束压裂。压裂过程中可分为多次压裂，总的压水量在 220-280t 之间。五、安全技术措施1、通风系统实施水力压裂地点采用全负压通风，该处目前风量在2700m3/min 左右。2、监测监控测气员必须每班检查压裂地点、注水泵、开关附近的瓦斯浓度，当瓦斯浓度小于 0.5%时，方可
20、开泵注水。3、安全防护设施进入该区域的人员必须随身携带完好的隔离式自救器。4、高压管路系统必须完好可靠，每间隔 3m 固定在风、水管路上，开注水泵以前泵司机及抽采队人员共同对管路系统进行逐一检查，排除隐患。5、钻孔施工山 东 能 源 新 矿 集 团Shandongnengyuanxinkuangjituan 金黄庄矿业 明德立志 包容超越 91） 、施工人员必须先检查撤退路线是否畅通、安全设施是否完好，否则禁止施工。2） 、测气员按规定设置瓦斯检查点检查瓦斯，当班负责人必须携带便携式瓦斯报警仪，并将其吊挂在距施钻地点回风侧5m 范围内，同时回风侧安设高低浓甲烷传感器，实时监测回风流瓦斯情况。当
21、瓦斯浓度达到 0.8%时，必须立即停止作业。当瓦斯浓度达到 1.5%时，必须立即停止作业、切断电源、撤出人员，并汇报矿调度。3） 、钻孔施工过程中若出山 东 能 源 新 矿 集 团Shandongnengyuanxinkuangjituan 金黄庄矿业 明德立志 包容超越 10现喷孔、卡钻、顶钻、吸钻、抱钻、响煤炮、瓦斯忽大忽小、瓦斯持续上升、矿压显现等明显的突出预兆时，必须立即停止作业、切断电源、撤出人员，并汇报矿调度。4） 、钻孔施工应按以下原则进行：开孔位置应选在岩石完整的位置。施工要保证钻孔平直、孔形完整。钻孔施工好后，立即清洗钻孔，保证钻孔畅通。在钻孔施工中，要准确记录钻孔方位、倾角
22、、孔深及见煤岩情况，钻孔开钻时间、见煤时间及收钻时间等。5） 、封孔注浆时水灰比按 0.7:1 进行调配。预埋封孔管时，所有封孔管必须使用管钳拧紧各丝扣，防止注浆过程中漏浆。6、警戒位置煤层水力压裂实施前，由防突一队安排专人负责将压裂钻孔影响范围内的所有人员撤离到警戒区域外，注水期间严禁任何人员入内。压裂巷道安设视频探头，时时监控压裂情况。7、当注水泵的压力上升到最大 30Mpa 时，并稳定半小时后，必须立即停止注水。8、注水泵停止运行后，必须当压力表指示降到 0MPa 时，进行钻孔保水，不得随意拆开高压胶管，严防残留高压水流伤人。9、开始进行高压注水前，对整个高压管路进行全面检查，确保所有接
23、头连接完好，确保山 东 能 源 新 矿 集 团Shandongnengyuanxinkuangjituan 金黄庄矿业 明德立志 包容超越 11整个注水系统严密不漏水。注水地点必须保证工作面支护完好，否则不得进行注水工作。10、注水期间，瓦斯监控机房值班人员必须连续观察注水点瓦斯变化情况，发现异常必须立即通知调度所。11、注水结束后，施工单位及时对周边围岩情况进行全面检查。12、压裂钻孔、校验钻孔施工安全技术措施由钻孔施工单位另行编制。13、其它未尽事宜按煤矿安全规程 、 钻工操作规程以及防治煤与瓦斯突出规定等相关规定执行。六、避灾路线避火、瓦斯灾路线：压裂地点-757m-800m 边界回风上
24、山-800m 南翼辅助运输大巷运煤上山下车场-800m 运输大巷井底车场副井地面。避水灾路线：压裂地点-757m-800m 边界回风上山B103 上顺槽底抽巷-717m-757m 边界回风上山-717m 底抽巷-717m-675m 边界回风上山-675m 回风大巷-650m石门回风联巷-650m 回风大巷回风井地面。七、效果考察方案1、未压裂区域参数考察1） 、含水率、硬度和瓦斯 含量山 东 能 源 新 矿 集 团Shandongnengyuanxinkuangjituan 金黄庄矿业 明德立志 包容超越 12在水力压裂孔 40m 以外位置取 3 个煤样，每个煤样不少于6kg，对每个煤样进行含
25、水率、硬度和瓦斯含量测试。2） 、原始抽采效果在压裂孔位置 50m 以外以走向倾向不大于 84m 施工 3组钻孔，完成后立即合茬抽采，在线监控抽采浓度、抽采纯量等瓦斯抽采参数。2、水力压裂效果考察1） 、压裂后有效影响半径考察压裂结束并保水 10 天后，进行压裂有效影响半径考察。分别考察倾向影响半径和走向影响半径。效果考察孔布置如下图： 压 裂 孔 1 压 裂 孔 2T1组2组T3组4组T5组6组 T135T179T12468022TTT1135379324680TT4T411535795T24T68T1066 -75底抽巷里段一 采 边 界 回 风 上 山 （ -80 75段 ） 60B10
26、3 切 眼B B13 上顺槽水 力 压 裂 孔 终 孔 位 置效 果 考 察 孔 终 孔 位 置倾向影响半径考察：在压裂孔终孔位置沿煤层倾斜方向施工一组效果考察孔，考察倾向方向上的有效影响半径，如上图中的山 东 能 源 新 矿 集 团Shandongnengyuanxinkuangjituan 金黄庄矿业 明德立志 包容超越 13T15、T25、T35、T45、T55 和 T65 考察孔。在考察孔钻进至煤层 1m 后，取样 6kg 进行含水率、硬度测试和瓦斯含量测试。走向影响半径考察：在压裂孔终孔位置沿煤层走向施工一组效果考察孔，考察走向方向上的有效影响半径，如上图中的T1 组考察孔。在考察孔
27、钻进至煤层 1m 后，取样 6Kg 进行含水率、硬度和瓦斯含量测试。其他方向考察：上图所示各组钻孔中的其他孔，测试含水率、硬度和瓦斯含量。影响半径检验标准：压裂有效影响半径以距离压裂孔最远的考察孔煤层含水率超过压裂前 4%或者钻孔出水为准。最大压裂影响半径：压裂后，通过测定考察孔的煤层含水率，煤层含水率超过压裂前 2%，煤层残余瓦斯含量下降 30%以上，最远考察孔到压裂孔间的距离即为压裂最大影响半径。2） 、抽采效果考察压裂后，将考察孔作为一个单元合茬抽采，安装自动计量装置考察该单元内的抽采量、抽采浓度、抽采负压等抽采参数。计算抽采达标时间与未压裂区域进行对比。3） 、掘进过程中突出参数考察B
28、103 工作面切眼掘进时，当掘进至压裂影响区域时，每隔20m 测定 p、h 值、Smax、K 和 D 等突出参数。3、考察孔施工先后顺序山 东 能 源 新 矿 集 团Shandongnengyuanxinkuangjituan 金黄庄矿业 明德立志 包容超越 141） 、在压裂孔位置 50m 以外以走向倾向不大于 84m 施工 3 组钻孔，完成后立即合茬抽采，在线监控抽采浓度、抽采纯量等瓦斯抽采参数。至少取 3 个钻孔的煤样，用以测定未压裂条件下的含水率、硬度和瓦斯含量。2） 、T1、T2、T3、T4、T5、T6 组孔依次施工。每施工完成一个孔，都要考察煤层含水率和瓦斯含量，T3 组及各个组的 6号孔还要考察硬度和 p。施工完成后进行合茬抽采，开始抽采效果考察。
