龙马煤矿井下水力压裂试验方案设计.docx

1、龙马煤矿井下水力压裂试验方案设计杉松岗矿业集团靖宇龙马矿业208综采工作面井下水力压裂试验方案靖宇龙马矿业二一六年八月第一章 概况第一节 技术概况煤矿井下水力压裂增透技术，是省煤层气开发利用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对壁面进行支撑，使各级裂隙弱面发生开、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

2、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。中祥工程管理为省煤层气开发利用的全资子公司，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、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

3、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”活动，邀请国煤炭行业知名的科研机构、高校、企业等来到省，为省煤炭行业的安全发展提供支撑。该活动为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，矿业与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。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

4、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、围靖宇龙马煤矿位于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，距吉线镇火车站97

5、公里。其间均有公路相通，交通较为方便。龙马煤矿井田围由省国土资源厅2015年2月25日颁发的采矿许可证(采矿证证号：C57437)所确定，矿区围主要可采煤层为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 龙马煤矿划定围拐点坐标表登记拐点坐标（1954坐标系） 核查拐点坐标（1980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.

6、00124703623.3742581648.81134703600.0042581476.00134703567.3742581434.81144703787.0042581430.00144703754.3742581388.81154703842.0042581634.00154703809.3742581592.81164704434.0042581730.00164704401.3642581688.81174704500.0042583175.00174704467.3642583133.80184703360.0042583230.00184703327.3742583188.8

7、0194701880.0042582830.00194701847.3942582788.801104701765.0042582080.001104701732.3942582038.81图1-1 矿井交通位置图 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10015

8、0m，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。区多年未发生有级地震。第三节 地质构造一、地层在矿区围主要地层由老至新有太古界群（Ar），中生界侏罗系中统侯家屯组（J2h），上统果松组（

9、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)、太古界群（Ar）区太古界群的花岗片麻岩，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

10、（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

11、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

12、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

13、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，构造位置处于中朝准地台,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

14、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

15、，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

16、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，

17、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，

18、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

19、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）矿区层间正断层对井巷的充水。1、采空区分节和积水

20、情况本矿区的采空区主要分布在矿井上部的煤矿开采上含煤段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

21、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

22、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围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

23、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.

24、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.r

25、d(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

26、反转反风。2、依据省安全生产监督管理局2014年瓦斯等级鉴定批复(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、依据省能源局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0.3

27、6m3/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

28、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、依据东北煤炭工业环保研究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、依据东北煤炭工业环保研究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0.3

29、1cm3/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

30、.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。该工作面回采区域没有钻孔，工作面上顺槽有一个断层构造，但不在开采围。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。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