寺河煤礦二號井工作面堅硬頂板定向水力壓裂研究

【摘要】針對寺河煤礦二號井15#煤工作面堅硬頂板難以垮落的難題，采用數(shù)值模擬和理論分析的方法進(jìn)行研究，并在現(xiàn)場采用水力壓裂的手段進(jìn)行了試驗，試驗結(jié)果表明：工作面推進(jìn)18m后老頂垮落，遠(yuǎn)小于放炮放頂?shù)?5m老頂垮落，效果極佳。

【關(guān)鍵詞】堅硬頂板；水力壓裂；頂板垮落

前言

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；堅硬難垮頂板巖石強(qiáng)度高、節(jié)理裂隙不發(fā)育、厚度大、整體性強(qiáng)、自承能力強(qiáng)，煤層開采后大面積懸露在采空區(qū)，短期內(nèi)不垮落；一旦垮落，一次垮落的面積大、高度大，有強(qiáng)烈的周期性來壓，且來壓時有明顯的動力現(xiàn)象，常造成支護(hù)設(shè)備損壞，危及人身安全等惡性事故。

目前我國堅硬難垮頂板的控制基本采用以爆破為主，注水軟化為輔的方法，然而該方法存在以下不足：工程量和炸藥量大、安全性差、成本高、污染井下空氣；干擾回采工序，影響回采進(jìn)度；放頂效果難以人為控制，易引起工作面控頂管理困難；當(dāng)膠結(jié)物為碳酸鹽類礦物巖層或煤層上有一定厚度的松軟直接頂和偽頂時，注水軟化效果不明顯；在高瓦斯礦井或煤層中應(yīng)用爆破法控頂時，需采取防止瓦斯或煤塵爆炸的措施；對于淺埋深情形，爆破控頂易對地面及周邊環(huán)境的安全構(gòu)成一定威脅。

1、工程概況

寺河煤礦二號井15#煤層位于太原組一段頂部，煤層底板標(biāo)高526～581m，埋深在329-419m之間，上距9#煤層28～30m，煤層厚1.79～2.45m，平均厚度2.24mm。頂板為K2石灰?guī)r，厚7.47～11.38m，平均厚10m，深灰色，致密堅硬，屬堅硬型頂板。

151305工作面上部3#煤為小煤窯破壞區(qū)，9#煤三盤區(qū)采空區(qū)，東、南、北側(cè)均為實體煤，西側(cè)為151102巷、151101巷和151103巷。

根據(jù)寺河煤礦二號井15#煤地質(zhì)力學(xué)測試結(jié)果。地應(yīng)力最大值σH為8.66MPa，最小為6.58MPa，側(cè)壓系數(shù)σH/σV分別為1.30，1.19，1.15，側(cè)壓系數(shù)均大于1，可見以水平應(yīng)力為主，屬于構(gòu)造應(yīng)力場類型。最大水平主應(yīng)力方向為北偏東方向。

2、堅硬難垮頂板控制技術(shù)

堅硬難垮落頂板工作面礦壓顯現(xiàn)特點主要有：一次垮落的面積大，容易造成工作面端頭上隅角瓦斯超限。堅硬頂板的控制存在著兩種不用的觀點和途徑。一種是維持頂板穩(wěn)定不冒，安全采出煤炭；另一種是促進(jìn)和改善頂板冒落，安全維護(hù)采場空間。合理的運用控制堅硬頂板垮落技術(shù)，可削弱頂板的整體性，使采空區(qū)頂板呈分層垮落、垮落高度增加、垮落塊度減小、碎漲系數(shù)增加、垮落角增大、老頂初次來壓及周期來壓步距縮短、采空區(qū)懸頂減少、工作面端頭三角區(qū)懸板面積減少，消除了大面積冒落的惡性事故，同時也使動壓系數(shù)減少、消除來壓沖擊載荷、來壓顯現(xiàn)緩慢，避免支架損壞，而且注入水或定向水力壓裂水還使得巖塵、煤塵減少，節(jié)約截齒消耗量，對防止煤層自燃有利。針對寺河煤礦二號井的實際情況及工作面頂板性質(zhì)，擬采用定向水力壓裂法控制工作面頂板，解決工作面回風(fēng)巷上隅角瓦斯超限問題。定向水力壓裂技術(shù)是指在鉆孔壓裂段預(yù)制裂縫，從而控制水力壓裂裂紋擴(kuò)展方向的技術(shù)。對堅硬頂板的控制主要表現(xiàn)在壓裂和軟化兩個方面，來削弱頂板的強(qiáng)度和整體性，使采空區(qū)頂板能夠分層分次垮落，縮短初次來壓和周期來壓步距，達(dá)到減小或消除堅硬難垮頂板對工作面回采危害的目的。定向水力壓裂技術(shù)主要包括壓裂鉆孔鉆進(jìn)、鉆孔開槽、封孔、頂板水力壓裂及效果監(jiān)測五部分內(nèi)容。

3、定向水力壓裂設(shè)計原則與依據(jù)

定向水力壓裂技術(shù)可有效控制工作面堅硬頂板的垮落，最大程度削弱頂板的整體性，使得采空區(qū)頂板呈分層垮落。定向水力壓裂技術(shù)有效控制堅硬頂板的同時，避免給工作面的正?；夭蓭碛绊懀苊庥捎谶^度壓裂和軟化導(dǎo)致工作面頂板維護(hù)困難，避免由于水力壓裂給巷道支護(hù)帶來困難，避免其它可能的災(zāi)害。寺河煤礦二號井15號煤頂板直接頂和老頂均為致密堅硬的石灰?guī)r，厚層穩(wěn)定。含有泥巖夾層，其中，石灰?guī)r強(qiáng)度強(qiáng)度大部分集中在110-130MPa之間，平均強(qiáng)度為123.43MPa，屬于極堅硬頂板，泥巖夾層在頂板中的位置有所偏差，平均強(qiáng)度為45.32MPa。15號煤最大水平應(yīng)力最大為8.66MPa，最小為7.87MPa；最小水平主應(yīng)力最大為5.13MPa，最小為3.61MPa；垂直主應(yīng)力最大為6.91MPa，最小為5.06MPa。15#煤地應(yīng)力水平屬于低地應(yīng)力區(qū)?？傮w上為σH>σV>σh應(yīng)力場，以構(gòu)造應(yīng)力為主。最大水平主應(yīng)力方向分別為N21.50E、N30.60E和N18.50E。所測測站應(yīng)力方向大致為北偏東方向。根據(jù)頂板巖層地應(yīng)力場及巖層強(qiáng)度，由下式可計算裂縫起裂壓力Pb：Pb=3σmin-σmax+σt。

4、水力壓裂方案

經(jīng)過理論分析和數(shù)值模擬，確定寺河煤礦二號井1305工作面水力壓裂參數(shù)如下：

4.1切眼水力壓裂鉆孔布置

工作面切眼水力壓裂鉆孔布置如圖1。鉆孔采用專用的保徑加強(qiáng)鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)。根據(jù)鉆孔參數(shù)的不同，在切眼共布置2種類型的壓裂鉆孔，分別為：壓裂鉆孔-S'，鉆孔長度為25m；壓裂鉆孔-L'，鉆孔長度鉆33m。鉆孔施工順序為先進(jìn)行壓裂鉆孔-L'的鉆進(jìn)和壓裂作業(yè)，待壓裂鉆孔-L'的壓裂工作全部結(jié)束后，再進(jìn)行壓裂鉆孔-S'施工和壓裂作業(yè)。

4.2順槽水力壓裂鉆孔布置

水力壓裂鉆孔布置如圖2所示。鉆孔采用專用的保徑加強(qiáng)鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)。根據(jù)鉆孔參數(shù)的不同，在順槽共布置3種類型的壓裂鉆孔，分別為：壓裂鉆孔-H，鉆孔長度為25m；壓裂鉆孔-S，鉆孔長度為25m；壓裂鉆孔-L，鉆孔長度鉆35m。鉆孔間距均為10m，可根據(jù)現(xiàn)場壓裂情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。鉆孔施工順序為先進(jìn)行壓裂鉆孔-L的鉆進(jìn)和壓裂作業(yè)，再進(jìn)行壓裂鉆孔-S的鉆進(jìn)和壓裂工作，最后進(jìn)行壓裂鉆孔-H的鉆進(jìn)和壓裂工作。

5、現(xiàn)場試驗及效果分析

XV1305工作面從2014年1月20日開始初采，至2014年1月25日，工作面機(jī)頭共推進(jìn)15.6m，機(jī)尾共推進(jìn)16.5m，工作面基本頂開始陸續(xù)垮落，到1月27日，工作面機(jī)頭共推進(jìn)18.1m，機(jī)尾共推進(jìn)21.6m，工作面基本頂垮落完畢。結(jié)合支架受力變化監(jiān)測結(jié)果，XV1305工作面初次來壓步距為22m，達(dá)到了預(yù)期的效果。在工作面推進(jìn)過程中，未見較大應(yīng)力波動出現(xiàn)，頂板初次來壓最大為5920kN，來壓強(qiáng)度較低，表明定向水力壓裂作業(yè)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，因此，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。

結(jié)合支架受力變化監(jiān)測結(jié)果，監(jiān)測了兩個周期來壓循環(huán)，第一個周期來壓循環(huán)，周期來壓步距為機(jī)頭位置10.9m，機(jī)尾位置9m，平均來壓步距為9.95m，頂板周期來壓最大為7125kN；第二個周期來壓循環(huán)，周期來壓步距為機(jī)頭位置8.4m，機(jī)尾位置7.6m，平均來壓步距為8m，頂板周期來壓最大為7300kN。直接頂基本呈隨采隨冒的狀態(tài)，基本頂與未斷巖層呈鉸接狀態(tài)，形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)，來壓顯現(xiàn)強(qiáng)度低。

6、結(jié)論

根據(jù)寺河煤礦二號井十五號煤層頂板巖層物理力學(xué)性質(zhì)，開展了定向水力壓裂控制堅硬難跨頂板研究，主要得出以下結(jié)論：

（1）頂板巖層結(jié)構(gòu)觀測、強(qiáng)度測試、水文地質(zhì)及構(gòu)造調(diào)查是進(jìn)行定向水力壓裂設(shè)計的基礎(chǔ)和依據(jù)。采用的水力壓裂高壓注水系統(tǒng)能夠使裂縫在頂板巖層中有效擴(kuò)展，裂紋起裂及擴(kuò)展壓力主要與地應(yīng)力有關(guān)，其擴(kuò)展范圍受鉆孔在頂板中的位置以及壓裂段在鉆孔中位置的影響，也與頂板中原生裂隙的發(fā)育程度有關(guān)。

（2）采用定向水力壓裂技術(shù)對工作面頂板進(jìn)行處理后，水力壓裂裂縫的擴(kuò)展半徑約為20～25m，XV1305工作面初次垮落步距約為21m，周期來壓步距為8～10m，顯現(xiàn)不明顯。

（3）現(xiàn)場監(jiān)測及頂板垮落過程可知，定向水力壓裂可使十五號煤層頂板分層分次逐漸垮落，有效降低了頂板的顯現(xiàn)程度，減小了頂板對支架、工作面和巷道煤壁的有害作用，滿足頂板管理的要求，為寺河煤礦二號井十五號煤層頂板的控制提供了新的手段。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

楊勝利（1967-），男，采煤工程師，現(xiàn)任晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河煤礦二號井安全副礦長.