水力壓裂技術(shù)在錦界煤礦初次放頂中的應(yīng)用

孫連勝，齊海清，馮彥軍，宋桂軍

(1.神華神東煤炭集團(tuán)公司 錦界煤礦，陜西 神木 719319；2.何家塔煤礦，陜西 神木 719315；

3.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；4.神華神東煤炭集團(tuán)公司，陜西 神木 719315)

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水力壓裂技術(shù)在錦界煤礦初次放頂中的應(yīng)用

孫連勝1，齊海清2，馮彥軍3，宋桂軍4

(1.神華神東煤炭集團(tuán)公司 錦界煤礦，陜西 神木 719319；2.何家塔煤礦，陜西 神木 719315；

3.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；4.神華神東煤炭集團(tuán)公司，陜西 神木 719315)

[摘要]針對神東礦區(qū)頂板巖層強(qiáng)度不高、厚度較大、穩(wěn)定性和整體性較好的特點(diǎn)，開展了水力壓裂技術(shù)在神東礦區(qū)初次放頂中的應(yīng)用研究。根據(jù)神東礦區(qū)頂板巖層特點(diǎn)和初次放頂存在的問題，選取神東錦界煤礦31405工作面為水力壓裂初次放頂試驗點(diǎn)，采用巖層結(jié)構(gòu)調(diào)研、井下試驗及監(jiān)測相結(jié)合的方法，研究了壓裂對頂板巖層的弱化及初次垮落的作用。監(jiān)測結(jié)果表明，壓裂過程中水壓最大為22MPa，最小為8MPa，流量為80L/min。工作面推進(jìn)約10m后頂板開始分層分次垮落，推進(jìn)至40m基本頂垮落。工作面初次垮落過程未形成沖擊，未對工作面產(chǎn)生影響，實(shí)現(xiàn)了工作面初采安全，水力壓裂控頂達(dá)到了預(yù)期效果。

[關(guān)鍵詞]水力壓裂；初次放頂；井下試驗

[引用格式]孫連勝，齊海清，馮彥軍，等.水力壓裂技術(shù)在錦界煤礦初次放頂中的應(yīng)用[J].煤礦開采，2015，20(6)：97-100.

神東公司礦井采煤工作面采煤方法為綜合機(jī)械化長壁式采煤法。工作面長度一般為240～320m，采高為1.7～7.0m不等。工作面頂板大部分為強(qiáng)度不高，但是厚度較大、整體性和穩(wěn)定性較好的中等穩(wěn)定巖層，初次來壓步距一般為40～55m。工作面初采時，90%以上的工作面需要實(shí)施爆破強(qiáng)制放頂，否則易造成工作面頂板大面積懸空，一次性垮落時往往伴隨強(qiáng)烈的動力現(xiàn)象，造成設(shè)備損壞、危及人身安全等惡性事故，嚴(yán)重影響礦井的安全生產(chǎn)[1- 2]。

目前，針對此類難垮頂板，神東公司各礦井采用爆破的方法控制綜采工作面頂板的初次垮落，炮眼直徑一般為75mm，炮眼長度一般為18～32m，炮眼數(shù)量根據(jù)工作面長度確定，一般為30～35個，放頂一次裝藥量為1.5t左右，炸藥為礦用乳膠炸藥，利用導(dǎo)爆索、電雷管起爆。采用爆破方法進(jìn)行初次強(qiáng)制控頂，主要存在以下不足[3-4]：炸藥使用量、裝藥量較大，因為炮眼較長，裝藥困難且存在一定的安全隱患；一次性引爆產(chǎn)生的大量CO等有毒氣體，嚴(yán)重污染井下空氣，威脅工人生命安全；在高瓦斯礦井或煤層中應(yīng)用爆破時，需采取防止瓦斯或煤塵爆炸的措施；爆破震動易對工作面支架和地面及周邊環(huán)境安全構(gòu)成一定威脅。因此，爆破控頂已經(jīng)無法滿足神東礦區(qū)安全、高效生產(chǎn)的需求。定向水力壓裂作為一項經(jīng)濟(jì)有效的堅硬、難垮頂板控制技術(shù)[5-8]，可有效避免爆破控頂?shù)牟蛔?。該技術(shù)安全性高、工藝簡單，已在國內(nèi)部分煤礦的頂板控制中得到推廣應(yīng)用[9-10]，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

基于上述背景，針對神東礦區(qū)頂板巖層條件，本文選擇神東錦界煤礦為研究試驗點(diǎn)，開展綜采工作面水力壓裂初次放頂應(yīng)用研究。通過理論分析、頂板巖層調(diào)查、井下試驗及監(jiān)測相結(jié)合的方法，以期解決錦界煤礦以及神東礦區(qū)類似條件下綜采工作面初次放頂存在的問題。

1工作面及頂板巖層

神東錦界煤礦31405工作面位于四盤區(qū)31煤輔運(yùn)大巷東側(cè)。北鄰已經(jīng)形成的31406工作面，南為正在回采的31404工作面，東鄰涼水井煤礦，西為31煤輔運(yùn)大巷。工作面寬度266m，煤層厚度穩(wěn)定，平均厚3.23m。煤層傾向北西，傾角1°，整體呈寬緩的單斜構(gòu)造，局部出現(xiàn)波狀起伏，總體構(gòu)造簡單。31405工作面切眼基巖總厚度25m左右，屬于薄基巖。煤層偽頂是0.5m厚的泥巖，含水平層理；直接頂為5.45m厚的粉砂巖，含小型交錯層理，裂隙發(fā)育；基本頂為9.89m的中砂巖或粉細(xì)砂巖，塊狀層理[11]。對頂板12m范圍巖層結(jié)構(gòu)進(jìn)行窺視，結(jié)果見圖1。從窺視結(jié)果可知，頂板巖層巖性為粉細(xì)砂巖，致密完整，含少量層理，夾層較薄。

圖1　頂板巖層結(jié)構(gòu)

2頂板巖層水力壓裂工藝

工作面水力壓裂初次放頂技術(shù)是在工作面切眼形成之后，在工作面支架、刮板輸送機(jī)及采煤機(jī)等采煤設(shè)備安裝之前，對工作面頂板實(shí)施水力壓裂作業(yè)。在回采之前預(yù)先弱化頂板巖層，待工作面回采后頂板巖層可自行、及時垮落，保證初采安全。水力壓裂初次放頂工藝過程見圖2。

圖2　水力壓裂初采放頂工藝

3井下試驗

3.1壓裂鉆孔布置

壓裂鉆孔參數(shù)及其布置方式由頂板巖層結(jié)構(gòu)、厚度、煤層厚度、采高及巖石強(qiáng)度確定[12-13]。壓裂所需的壓力可由最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則確定，當(dāng)鉆孔孔壁的最大拉應(yīng)力σmax達(dá)到頂板巖石的抗拉強(qiáng)度σt時，即σmax=σt，水力裂縫處孔壁起裂。

最大拉應(yīng)力σmax與地應(yīng)力大小、方向及水壓有關(guān)。

壓裂鉆孔布置原則[14]：頂板巖層經(jīng)過壓裂弱化后，可有效控制工作面頂板初次垮落，通過削弱頂板巖層的整體性和穩(wěn)定性，使工作面頂板初次垮落呈分層、分次及時垮落。同時，避免給工作面的正?；夭蓭碛绊?；避免由于過度壓裂和軟化導(dǎo)致工作面頂板維護(hù)困難；避免由于水力壓裂給頂板管理帶來困難；避免其他可能的災(zāi)害。根據(jù)頂板巖層結(jié)構(gòu)和巖層厚度確定壓裂的次數(shù)。鉆孔布置及參數(shù)見圖3。鉆孔參數(shù)為：壓裂鉆孔-S，鉆孔長度25m，傾角為40°；壓裂鉆孔-L，鉆孔長度34m，傾角為15°；壓裂鉆孔-B，鉆孔長度30m，傾角為30°。

圖3　壓裂鉆孔布置及參數(shù)

3.2壓裂監(jiān)測結(jié)果與分析

壓裂過程中，監(jiān)測水壓與流量變化，觀測頂板及附近鉆孔、錨桿錨索出水情況，從而確定壓裂停止時機(jī)。錦界煤礦31405切眼頂板壓裂壓力與流量監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖4。S孔的擴(kuò)展壓力約為12MPa，見圖4(a)，L孔的擴(kuò)展壓力約為22MPa，見圖4(b)。

圖4　壓裂壓力與流量曲線

從壓裂曲線可以看出，壓裂過程中，流量基本保持不變，為80L/min，壓力最大約22MPa，最小約8MPa。在裂縫擴(kuò)展過程中，壓力變化較小，裂縫基本以恒定壓力向前擴(kuò)展，說明頂板巖層原始裂隙不發(fā)育，巖層較為穩(wěn)定，裂縫可以實(shí)現(xiàn)大范圍擴(kuò)展。壓裂過程中也會出現(xiàn)壓力突變的情況，見圖4(c)，這是由于水力裂縫擴(kuò)展過程中遇到天然裂隙或弱化帶導(dǎo)致的。

試驗采用單孔多次壓裂，可以將厚而穩(wěn)定的頂板巖層分為多層，有效弱化頂板巖層的整體性和穩(wěn)定性，有利于頂板及時垮落[14-17]。

通過觀察頂板、錨桿錨索出水情況，判斷水力裂縫擴(kuò)展情況。在壓裂L1過程中，首先在S2鉆孔中觀察到有水流出，隨著壓裂位置向孔口移近，S1和B孔都有水流出，說明裂縫的擴(kuò)展范圍至少可達(dá)35m。壓裂位置距離為9m時，壓裂過程中L1孔附近約為4根錨索開始出水，此時停止L1孔的壓裂。

在L孔的壓裂過程中，壓裂位置距離孔口大于23m時，附近鉆孔出水量一般較小，錨索很少出水。當(dāng)壓裂位置距離孔口小于15m時，出水錨索的數(shù)量較多，并且出水量往往較大。

在S孔壓裂過程中，附近鉆孔的出水量一般較大，并且相鄰鉆孔基本都有水流出，說明水力裂縫擴(kuò)展半徑至少可達(dá)20m。

4頂板垮落效果

31405工作面于2015年7月24日開始試采，7月26日工作面推進(jìn)約10m時，直接頂基本垮落完成，垮落巖石可將支架覆蓋?？迓溥^程為直接頂首先從工作面中部開始垮落，隨后緩慢向兩側(cè)擴(kuò)展?？迓涮攸c(diǎn)為分層分次逐步垮落，未形成沖擊，未對工作面產(chǎn)生影響，整個垮落過程極為溫和。7月28日，工作面推進(jìn)至40m時，基本頂來壓，支架工作阻力緩慢升高，基本頂來壓未對工作面產(chǎn)生沖擊和影響。因此，采用水力壓裂弱化工作面頂板巖層后，隨著工作面回采，頂板能夠及時、分層分次逐步垮落，滿足初次放頂要求，保證工作面初采安全。

5結(jié)論

(1)錦界煤礦頂板巖層水力裂縫的擴(kuò)展范圍為20～35m。

(2)錦界煤礦水力壓裂的水壓約為8～22MPa，流量約為80L/min。工作面推進(jìn)約10m后直接頂全部垮落，推進(jìn)約40m后基本頂垮落。

(3)水力壓裂弱化頂板巖層后，頂板垮落呈現(xiàn)出及時、分層分次逐步垮落特點(diǎn)，垮落過程未對工作面產(chǎn)生沖擊和影響。

(4)針對錦界煤礦及類似頂板礦井，水力壓裂是一種有效可行的工作面初次放頂技術(shù)。

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[責(zé)任編輯:潘俊鋒]

Application of Hydraulic Fracturing in First Caving of Jinjie Coal Mine

SUN Lian-sheng1，QI Hai-qing2，F(xiàn)ENG Yan-jun3，SONG Gui-jun4

(1.Jinjie Coal Mine，Shenhua Shendong Coal Group Co.,Ltd.，Shenmu 719319，China；2.Hejiata Coal Mine，Shenmu，

719315，China；3.Coal Mining and Designing Department，Tiandi Science and Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China;

4.Shenhua Shendong Coal Group Co.,Ltd.,Shenmu 719315,China)

Abstract：The investigation into hydraulic fracturing employed in first roof caving of Shendong mining district was carried out，where the rock strata is low strength，thick，intact and stable.Therefore，hydraulic fracturing used for roof first caving in 31405 working face of Jinjie coal mine of Shendong coal mine district was conducted according to the strata features and existing problems in roof first caving of working face.A comprehensive investigation based on strata structure survey，underground test and monitoring was implemented to analyze the effect of hydraulic fracturing on the weakening of rack mass and first caving of working face.The monitoring results imply that the maximal water pressure was 22MPa and the minimum was 8 MPa，the flow rate was 80L/min.The immediate roof and the main roof began to fall as the working face advanced 10m and 40m，respectively.During the process，induced impact load was little on the working face and the expected effect of roof first caving in terms of hydraulic fracturing was achieved.

Key words：hydraulic fracturing；roof first caving；underground test

[作者簡介]孫連勝(1973-)，男，河北興隆人，高級工程師，工程碩士，錦界煤礦總工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)管理與技術(shù)研究工作。

[基金項目]天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部科技創(chuàng)新基金項目青年創(chuàng)新(KJ-2015-TDKC-15)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.026

[收稿日期]2015-08-14

[中圖分類號]TD327.2

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1006-6225(2015)06-0097-04