鳳凰山煤礦堅硬頂板定向水力壓裂技術(shù)應(yīng)用研究

孫志勇,馮彥軍,郭相平

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

在煤礦開采中，堅硬難垮頂板是指賦存在煤層上方或厚度較薄的直接頂上面厚而堅硬的砂巖、礫巖或石灰?guī)r等巖層[1-2]。傳統(tǒng)的處理堅硬頂板方法主要采用超前深孔預(yù)裂爆破弱化方式，預(yù)裂爆破導(dǎo)致的震動會對地面建筑及周圍環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。同時爆破需用大量火藥，每孔用量達(dá)幾十千克，危險性高，需在所有回風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置警戒，爆破產(chǎn)生的有害氣體、火焰等將會帶來一系列危害。

鳳凰山煤礦15#煤層直接頂為K2石灰?guī)r，平均厚度10m?，F(xiàn)場采用WQCZ-56型圍巖強(qiáng)度測試裝置對該巖層進(jìn)行原位強(qiáng)度測試得知，K2灰?guī)r的單軸抗壓強(qiáng)度在100M～140MPa之間，屬于典型的強(qiáng)度高、整體性強(qiáng)、自穩(wěn)能力強(qiáng)的堅硬頂板。此類頂板在開采過程中，初次來壓和周期來壓步距較大，礦壓顯現(xiàn)十分明顯。若采用超前深孔預(yù)裂爆破弱化方式處理工作面的難垮頂板時，會導(dǎo)致局部CO積聚，安全管理難度加大，不利于安全生產(chǎn)。

針對上述問題，運(yùn)用定向水力壓裂技術(shù)[3-5]在鳳凰山煤礦[6]進(jìn)行井下試驗，為該技術(shù)的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 現(xiàn)場試驗

1.1 施工方案

根據(jù)工作面頂板圍巖強(qiáng)度、圍巖性質(zhì)與結(jié)構(gòu)和地應(yīng)力場特征，以及在晉煤集團(tuán)王臺鋪煤礦的實踐經(jīng)驗，確定試驗方案，分別在XV4306和XV5302兩個工作面進(jìn)行定向水力壓裂技術(shù)應(yīng)用研究，工作面長度中-中180m。

切眼初次水力壓裂鉆孔布置如圖1(a)所示。鉆孔布置在開切眼工作面推進(jìn)側(cè)幫，采用直徑φ56mm的鉆頭進(jìn)行打孔，方向與工作面推進(jìn)方向一致?？卓谖挥趲晚斀蔷囗敯?00～300mm，鉆孔度50m，仰角為20°，鉆孔間隔20m布置一個。

切眼二次水力壓裂鉆孔布置如圖1(b)所示，鉆孔位置、鉆孔方向和鉆頭參數(shù)與初次水力壓裂鉆孔相同?？卓谖挥趲晚斀蔷囗敯?00～300mm，鉆孔深30m，仰角為20°，鉆孔間距20m，交叉布置在初次壓裂鉆孔中間。

由于鉆孔變形后壓裂等一系列工作無法正常進(jìn)行，為保證水力壓裂處理堅硬頂板的效果，需在綜采工作面設(shè)備如采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)等安裝之前完成定向水力壓裂，并且要求初次壓裂鉆孔全部致裂結(jié)束后再進(jìn)行二次壓裂施工。

1.2 施工工藝

1.2.1 壓裂鉆孔打設(shè)及開槽

鉆孔鉆進(jìn)使用ZDY-1200型煤礦用全液壓坑道鉆機(jī)、堅硬巖石專用鉆頭在需壓裂的堅硬頂板上打孔。根據(jù)圍巖條件，鉆頭直徑為56 mm，鉆孔參數(shù)根據(jù)堅硬頂板的厚度及鉆孔的角度確定。

第一個鉆孔施工完畢后，利用小孔徑全景鉆孔窺視儀觀測鉆孔圍巖結(jié)構(gòu)，根據(jù)裂隙分布情況確定開槽位置。第二個鉆孔施工至開槽位置后停止鉆進(jìn)，將普通鉆頭換為可預(yù)制橫向切槽的KZ54特殊鉆頭(圖2)，伸直指定位置開設(shè)出一個直徑約為孔徑一倍的楔形槽。

圖1 工作面切眼水力壓裂鉆孔布置

圖2 KZ54型切槽鉆頭

開槽處需選擇頂板堅硬完整段。預(yù)計開槽鉆頭快到鉆孔尾部時，伸進(jìn)速度放緩，當(dāng)開槽鉆頭到達(dá)鉆孔底部時，要將鉆桿往回退一點，然后加5MPa壓力緩慢向前鉆進(jìn)，使開槽刀片緩慢張開，不要加壓過猛，避免開槽鉆頭受到?jīng)_擊。

開槽過程中通過觀察鉆孔流出的水來判斷開槽進(jìn)程，完成開槽后撤出開槽鉆頭，換普通鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至下一開槽位置再進(jìn)行開槽工序，如此循環(huán)，直至鉆孔打設(shè)結(jié)束。

整個鉆孔打設(shè)與開槽工作全部完畢后要用靜壓水沖洗。

要求在鉆進(jìn)過程中盡量降低鉆進(jìn)速度，保持穩(wěn)定的鉆機(jī)進(jìn)給力(一般7MPa左右)，鉆孔完成后要近似為一條直線，有利于封孔器的推入。

1.2.2 鉆孔注水壓裂

封孔。采用兩個橡膠封孔器組成的自平衡結(jié)構(gòu)進(jìn)行封孔，封孔方法是將封孔器與注水鋼管密封連接，插入鉆孔至預(yù)定封孔位置，即將壓裂鋼管段置于預(yù)裂縫處，然后通過手動泵向封孔器注水加壓到10M～12MPa，使封孔器橡膠管膨脹撐緊孔壁，由于該系統(tǒng)采用雙封自平衡結(jié)構(gòu)，能承受60M～80MPa的水壓，能夠確保高壓水使預(yù)裂縫起裂并不斷擴(kuò)展，達(dá)到壓裂頂板效果。

水力壓裂。鉆孔壓裂是利用高壓三柱塞泵提供高壓水，最高壓力可達(dá)到80MPa，經(jīng)高壓膠管、注水鋼管以及壓裂鋼管進(jìn)行壓裂，通過觀測高壓泵的壓力表數(shù)據(jù)判斷預(yù)裂縫的起裂。預(yù)裂縫起裂后壓力表數(shù)據(jù)會有所下降，以后進(jìn)入穩(wěn)壓階段，此階段裂紋擴(kuò)展的同時會伴隨新裂紋的產(chǎn)生，通常情況下穩(wěn)壓注水至少20min，保證頂板巖層裂紋能夠充分?jǐn)U展。

1.2.3 效果監(jiān)測

在壓裂孔周圍布置觀測孔，壓裂過程中觀測孔是否有水冒出，大致確定壓裂的范圍；通過監(jiān)測工作面回采后支架受力、頂板來壓步距，評價水力壓裂控制頂板的效果。

2 現(xiàn)場試驗

鳳凰山礦北翼XV4306工作面2013年9月10日開始試采， 2013年9月16日采煤機(jī)機(jī)頭推進(jìn)14.6m，機(jī)尾推進(jìn)16.5m時，工作面基本頂K2石灰?guī)r開始分層垮落，9月18日采煤機(jī)機(jī)頭推進(jìn)25.1m，機(jī)尾推進(jìn)28.6m，工作面基本頂垮落完畢。

XV5302綜采工作面于2014年1月6日開始初采，截至1月14日早班結(jié)束，機(jī)頭推進(jìn)25.1m，機(jī)尾推進(jìn)33.1m。在初采期間，于1月14日夜班開始工作面老頂初次大面積垮落，頂板初采來壓。

結(jié)合支架受力變化監(jiān)測結(jié)果(圖3)，XV4306工作面初次來壓步距為26m，在工作面回采過程中，支架受力波動不大，頂板初次來壓強(qiáng)度最大為5920kN，來壓強(qiáng)度較低；XV5302工作面初次來壓步距為27.2m，頂板初次來壓最大為7104.24kN，小于支架額定工作阻力8000 kN。

圖3 工作面回采期間支架工作阻力分布圖

3 結(jié)論

1)通過上述兩個工作面的定向壓裂試驗表明，定向水力壓裂技術(shù)能有效將工作面頂板弱化，在頂板巖層中形成貫通裂隙，破壞了頂板的完整性，在工作面推進(jìn)過程中能夠分層分次垮落，減小對工作面支架的沖擊。

2)與深孔爆破處理頂板(工作面初次來壓步距約30～35m)相比定向水力壓裂技術(shù)具有來壓步距小、施工速度快、安全管理難度低、對地面及工作面環(huán)境影響小等多方面優(yōu)勢。

3)定向壓裂技術(shù)可使鳳凰山煤礦十五號煤礦堅硬難垮頂板分層分次及時垮落，已在晉城礦區(qū)此類頂板控制中推廣應(yīng)用，為我國堅硬難垮頂板控制提供了新的手段。

[1] 陳炎光，錢鳴高．中國煤礦采場圍巖控制[M]．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1994．

[2] 靳鐘銘，徐林生．煤礦堅硬頂板控制[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，1994．

[3] 康紅普，馮彥軍．定向水力壓裂工作面煤體應(yīng)力監(jiān)測及其演化規(guī)律[J].煤炭學(xué)報，2012，37(12) ：1953-1959．

[4] 馮彥軍，康紅普．定向水力壓裂控制煤礦堅硬難垮頂板試驗[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2012，31(6) ，1148-1155．

[5] 馮彥軍．煤礦堅硬難垮頂板水力壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)理研究及應(yīng)用[D].北京：煤炭科學(xué)研究總院，2012．

[6] 趙學(xué)斌.綜采工作面堅硬頂板水力壓裂技術(shù)[J].煤，2014 (3)：36-39.