水力壓裂技術(shù)控制堅硬頂板上隅角懸頂面積試驗

郭相平，馮彥軍，白　宇

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采設(shè)計研究分院，北京 100013；

3.晉煤集團(tuán) 寺河礦二號井，山西 晉城 048019)

?

水力壓裂技術(shù)控制堅硬頂板上隅角懸頂面積試驗

郭相平1,2，馮彥軍1,2，白宇3

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采設(shè)計研究分院，北京 100013；

3.晉煤集團(tuán) 寺河礦二號井，山西 晉城 048019)

[摘要]針對高瓦斯礦井回風(fēng)巷上隅角懸頂面積過大容易造成瓦斯超限的難題，進(jìn)行水力壓裂控制堅硬頂板回風(fēng)巷上隅角懸頂面積的井下試驗。通過在巷道內(nèi)布置H型鉆孔，并將鉆孔間距縮至控制半徑的一半，同時采取相鄰鉆孔錯位壓裂的措施，結(jié)果證明工作面兩巷上隅角懸頂面積控制在要求的范圍之內(nèi)，并且對巷道沒有產(chǎn)生額外的破壞作用。

[關(guān)鍵詞]水力壓裂；上隅角；懸頂面積

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.019

[引用格式]郭相平，馮彥軍，白宇.水力壓裂技術(shù)控制堅硬頂板上隅角懸頂面積試驗[J].煤礦開采，2015，20(5)：70-73.

在煤礦開采中，堅硬頂板是指在煤層上方或者較薄的一層直接頂上面厚并且穩(wěn)定的、非常堅硬的石灰?guī)r、砂巖或礫巖等巖層，堅硬頂板具有強(qiáng)度極高、整體性很強(qiáng)、節(jié)理和裂隙均不發(fā)育、厚度較大、自身承載能力極強(qiáng)等特點(diǎn)[1]。煤被開采后，堅硬頂板大面積懸露在采空區(qū)而不垮落，一旦垮落，垮落的面積很大，礦山壓力顯現(xiàn)強(qiáng)烈，并且來壓時有可能形成颶風(fēng)，造成支護(hù)設(shè)備損壞，甚至有可能出現(xiàn)危及人身及煤礦安全的惡性事故[2-3]。近幾年國內(nèi)研究人員對堅硬難垮頂板控制做了大量的研究，并取得了顯著的成效[4-5]。煤礦也從水力壓裂技術(shù)中嘗到了甜頭，與爆破強(qiáng)制放頂相比，應(yīng)用水力壓力技術(shù)控制堅硬頂板有以下優(yōu)點(diǎn)[4]：

(1)工程量大大減小，避免使用大量的炸藥，提高了工程的安全性，降低了成本，并且減小了井下空氣污染。

(2)水力壓裂可以在支架安裝前施工，優(yōu)化了施工順序，縮短了工作面安裝的時間。

(3)提前進(jìn)行水力壓裂控制頂板，一旦回采，頂板及時垮落，避免了爆破強(qiáng)制放頂效果不佳，易造成工作面頂板難控制等難題。

(4)在高瓦斯礦井中應(yīng)用水力壓裂技術(shù)避免了在施工過程中采取防止瓦斯或煤塵爆炸的措施。

(5)水力壓裂技術(shù)是靜態(tài)壓裂，分層逐步垮落，動靜小，礦壓顯現(xiàn)緩慢。

隨著研究的深入，煤礦不但要解決大面積頂板的垮落問題，還要將上隅角的懸頂面積控制在一定范圍之內(nèi)，為此將試驗地點(diǎn)定在晉煤集團(tuán)寺河礦二號井。

1井下試驗

1.1　現(xiàn)場條件

試驗地點(diǎn)定在寺河礦二號井15號煤層151305工作面，巷道埋深在329～419m之間，上距9號煤層28～30m，煤層厚1.97～3.84m，平均2.66m。頂板為平均10.29m厚的K2石灰?guī)r，深灰色，致密堅硬，全區(qū)穩(wěn)定，局部有泥巖、炭質(zhì)泥巖偽頂，厚度平均0.41m，松軟，易垮落。151305工作面附近15號煤層頂?shù)装迩闆r如圖1所示。

圖1　151305綜采工作面綜合柱狀

現(xiàn)場測試結(jié)果為頂板K2石灰?guī)r的抗壓強(qiáng)度123.43MPa，屬于極堅硬頂板，泥巖夾層在石灰?guī)r頂板中的位置隨區(qū)域有所偏差，泥巖的抗壓強(qiáng)度為45.32MPa。3個地應(yīng)力中最大水平主應(yīng)力為8.66MPa，最小水平主應(yīng)力為3.61MPa，垂直主應(yīng)力為6.91MPa。

1.2　試驗方案

根據(jù)現(xiàn)場條件和在晉煤集團(tuán)其他煤礦水力壓裂控制堅硬頂板的實踐經(jīng)驗，確定試驗方案。根據(jù)現(xiàn)場控制頂板的需要，在兩巷內(nèi)共布置了3種類型的壓裂鉆孔，其中一種鉆孔控制上隅角頂板的垮落，代號為H孔，如圖2(b)所示，鉆孔長度為25m，沿兩巷走向傾角為45°；兩種鉆孔主要是控制工作面頂板的垮落，并配合控制上隅角頂板的垮落，代號分別為：S孔，如圖2(c)所示，鉆孔長度為25m，垂直于兩巷走向的傾角為45°；L孔，如圖2(d)所示，鉆孔長度為35m，垂直于兩巷走向的傾角為30°；H鉆孔的間距為10m，L孔和S孔間隔布置，每種鉆孔之間的間距為20m。水力壓裂控制堅硬頂板鉆孔施工順序是：先進(jìn)行長孔(L孔)壓裂鉆孔的鉆進(jìn)和壓裂作業(yè)，再進(jìn)行短孔(S孔)壓裂鉆孔的鉆進(jìn)和壓裂工作，最后進(jìn)行H孔壓裂鉆孔的鉆進(jìn)和壓裂工作。

圖2　兩巷水力壓裂鉆孔布置

1.3　施工工藝

首先利用TXU-75型地質(zhì)鉆機(jī)、堅硬巖石專用鉆頭在需壓裂位置的頂板上打孔。根據(jù)封孔器的封孔直徑要求，鉆頭直徑為56mm，孔深依據(jù)要壓裂頂板的厚度和鉆孔的角度確定。其次是封孔，先將橡膠封孔器置于預(yù)定封孔位置，然后采用封孔系統(tǒng)對壓裂段進(jìn)行封孔，具體的操作過程是：用手動泵向橡膠封孔器內(nèi)注入高壓水進(jìn)行加壓，使橡膠封孔器膠管膨脹緊緊地?fù)巫】妆?，由于膠筒外壁緊貼光滑的壓裂鉆孔內(nèi)壁，所以橡膠封孔器能承受很高的水壓，封孔系統(tǒng)確保壓裂系統(tǒng)的高壓水將堅硬頂板壓裂并不斷擴(kuò)展，達(dá)到將厚層頂板分成許多薄層并且通過水將每個分層進(jìn)行弱化。壓裂是利用壓裂系統(tǒng)能夠提供大流量、高水壓的泵提供高壓水，然后通過超高壓膠管、無縫輕便的注水鋼管以及壓裂鋼管進(jìn)行壓裂，通過泵的壓力表或水壓儀的壓力曲線監(jiān)測堅硬頂板的壓裂過程，頂板被高壓水壓裂后水壓會突然下降，水泵處于開啟狀態(tài)，自動增壓并保壓，在高壓水的作用下，堅硬頂板的裂紋不斷擴(kuò)展，并且不斷有新裂紋產(chǎn)生，根據(jù)晉城地區(qū)堅硬頂板壓裂的經(jīng)驗，保壓0.5h左右或鉆孔附近有大量水流出時標(biāo)明壓裂的一個循環(huán)結(jié)束。

2回采驗證及效果檢測

寺河礦二號井15號煤已經(jīng)回采完畢的工作面經(jīng)觀測基本頂初次來壓步距約為35m，周期來壓步距平均為15.5m，上隅角通過爆破強(qiáng)制放頂，寬度在5～6m之間，長度在6～8m之間，當(dāng)面積達(dá)到上限后經(jīng)常會造成工作面瓦斯超限。而151305工作面在推進(jìn)12m后頂板開始垮落，2d內(nèi)基本頂垮落完成，隨后工作面中間頂板基本隨采隨冒，上隅角懸頂基本控制在4m×4m范圍以內(nèi)。圖3是回風(fēng)巷側(cè)液壓支架的受力曲線，圖4是上隅角懸頂面積曲線。以往的經(jīng)驗顯示液壓支架靠近兩巷受力最大值基本在50MPa左右，而本次監(jiān)測值基本在40MPa以下，說明工作面后方基本頂在經(jīng)水力壓裂處理后分層垮落效果明顯，基本頂懸頂面積大大減??；上隅角懸頂從寬度方向上減少了25%～50%，長度方向上減少了50%～100%。

圖3　回風(fēng)巷側(cè)支架受力監(jiān)測曲線

3水力壓裂對巷道的影響

為了保證兩巷上隅角懸頂面積控制在合理范圍之內(nèi)，根據(jù)以往的經(jīng)驗，采取了多項措施，首先是在巷道內(nèi)專門布置H孔，其次是將孔的間距縮至控制半徑的一半；再次是為了將10m厚的頂板分成更多層，保證壓裂后回采時的垮落效果，每相鄰兩個H孔的壓裂位置均不同。兩巷頂板經(jīng)過如此充分的壓裂又有了新的問題，那就是頂板的完整性會不會因為壓裂而遭到嚴(yán)重的破壞以至于在回采超前段頂板即發(fā)生垮落，為了監(jiān)測巷道頂板在回采前的變化，特在巷道內(nèi)布置了多組表面位移觀測曲線，1210巷監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。

圖4　上隅角懸頂監(jiān)測曲線

圖5　回采期間1210巷表面位移監(jiān)測曲線

從回采期間工作面兩巷表面位移監(jiān)測曲線可以看出：巷道表面位移中兩幫位移量最大為118mm，頂?shù)装逦灰屏孔畲鬄?8mm，結(jié)合工作面兩巷在掘進(jìn)期間的監(jiān)測結(jié)果，工作面兩巷總的位移量兩幫最大為171mm，頂?shù)装遄畲鬄?0mm。工作面兩巷變形一般在超前采面50m左右開始，在超前采面20m左右處變形速度加快，到最后工作面完全推過變形量不超過200mm。說明水力壓裂對于10m厚的石灰?guī)r巷道頂板在采面超前段的影響甚小，但卻能將回采后的巷道上隅角懸頂面積控制在要求的范圍之內(nèi)。

4結(jié)論

(1)晉城地區(qū)15號煤層10m厚的石灰?guī)r頂板能通過水力壓裂的方式將巷道上隅角懸頂面積控制在要求的范圍之內(nèi)。

(2)通過水力壓裂切頂后，工作面頂板在推進(jìn)12m后開始初次垮落，隨后工作面后方的頂板基本隨采隨冒，周期來壓現(xiàn)象不明顯。

(3)針對晉城地區(qū)的15號煤層巷道，水力壓裂技術(shù)不但能控制巷道上隅角的懸頂面積，而且對巷道在服務(wù)期內(nèi)沒有額外的破壞作用。

[參考文獻(xiàn)]

[1]楊勝利.寺河煤礦二號井工作面堅硬頂板定向水力壓裂研究[J].科技與企業(yè)，2014(18)：90，92.

[2]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.

[3]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.

[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]賈飛飛.寺河煤礦二號井堅硬頂板定向水力壓裂應(yīng)用研究[J].科技與企業(yè),2015(2)：126.

[7]張智斌.定向水力壓裂堅硬頂板在鳳凰山礦的試驗[J].能源與節(jié)能,2014(6):152-154.

[8]劉麗萍.定向水力致裂堅硬頂板的數(shù)值模擬及現(xiàn)場實踐[J].煤礦開采,2014,19(3):115-117,120.

[9]潘俊鋒,王書文,劉少虹,等.基于集中靜載荷探測的沖擊地壓危險性預(yù)評價[J].巖土工程學(xué)報,2014，36(7)：1227-1234.

[10]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.

[11]任艷芳,寧宇.淺埋煤層長壁開采超前支承壓力變化特征[J].煤炭學(xué)報,2014，39(S1)：38-42.

[12]康紅普,姜鵬飛,蔡嘉芳.錨桿支護(hù)應(yīng)力場測試與分析[J].煤炭學(xué)報,2014，39(8)：1521-1529.

[13]王傳朋,王元杰,陳法兵.微震監(jiān)測技術(shù)在集賢煤礦沖擊地壓防治中的應(yīng)用研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2014，41(3)：53-56，60.

[14]馮彥軍,康紅普.受壓脆性巖石Ⅰ-Ⅱ型復(fù)合裂紋水力壓裂研究[J].煤炭學(xué)報,2013，38(2)：226-232.

[15]藍(lán)航,杜濤濤,彭永偉,等.淺埋深回采工作面沖擊地壓發(fā)生機(jī)理及防治[J].煤炭學(xué)報,2012，37(10)：1618-1623.

[責(zé)任編輯：王興庫]

《水力采煤與管道運(yùn)輸》雜志2016年征訂啟事

《水力采煤與管道運(yùn)輸》雜志創(chuàng)刊于1974年，是經(jīng)原國家科委和國家新聞出版署共同審核批準(zhǔn)，由煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院(現(xiàn)更名中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司)主辦的國家級科技期刊。本刊是集采煤與礦山運(yùn)輸專業(yè)為一體的綜合性期刊，是煤炭行業(yè)礦井開采與礦山運(yùn)輸新技術(shù)、新工藝、新經(jīng)驗、新產(chǎn)品及研究成果的主要發(fā)布媒體，主要刊載包括采煤、運(yùn)輸、掘進(jìn)、支護(hù)、提升、機(jī)電、排水、通風(fēng)、液壓、管理等科技信息內(nèi)容，面向國內(nèi)外公開發(fā)行。

本刊自辦發(fā)行， 郵局匯款請匯至 河北省唐山市新華西道21號 郵編：063012，收款人：《水力采煤與管道運(yùn)輸》編輯部；銀行匯款請匯至 工行唐山分行西山支行，戶名： 中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，銀行賬號：0403010229300054936，匯款時請注明“訂水力采煤與管道運(yùn)輸款”！本刊頁碼：96頁，每期定價10元，全年4期，合計40元(包含平郵郵寄費(fèi))。聯(lián)系電話：(0315)7759357傳真：(0315)2816962E-mail:slcmbjb@163.com

Test of Hanging Roof Area at the Upper Corner for Hydro-fracturing Hard Roof

GUO Xiang-ping1,2，F(xiàn)ENG Yan-jun1,2,BAI Yu3

(1. Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.,Ltd.,Beijing 100013,China; 2. Coal Mining & Designing Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China; 3. 2ndMine，Sihe Colliery，Jincheng 048019，China)

Abstract：In order to solve the difficult problem of methane overrunning for large hanging roof area at the upper corner in high methane mine，hydro-fracturing was applied to controlling hanging roof area. H-style boreholes were arranged in roadway，space between boreholes was reduced to half of the controlling diameter，and misalignment hydro-fracturing at adjacent borehole was applied. Practice showed that the area of hanging roof was controlled within requirement without extra failure action.

Keywords：hydro-fracturing;upper corner;hanging roof area

[作者簡介]郭相平(1980-)，男，安徽廬江人，副研究員，碩士，長期從事巷道支護(hù)的研究與推廣工作。

[基金項目]國家自然科學(xué)基金委員會與神華集團(tuán)有限責(zé)任公司聯(lián)合資助項目(U1261211)；中國煤炭科工集團(tuán)科技創(chuàng)新基金面上項目(2013MS010)；天地科技股份有限公司科技創(chuàng)新基金項目(KJ-2014-TDKC-01)

[收稿日期]2015-04-20

[中圖分類號]TD844

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1006-6225(2015)05-0070-04