水力壓裂在酸刺溝煤礦初次放頂中的應(yīng)用

馮彥軍，周瑜蒼，劉　勇，李　淵，王志超，馬　冰，段書武

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.內(nèi)蒙古伊泰京粵酸刺溝礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

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礦山壓力與災(zāi)害控制

水力壓裂在酸刺溝煤礦初次放頂中的應(yīng)用

馮彥軍1，周瑜蒼2，劉勇1，李淵2，王志超1，馬冰1，段書武1

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.內(nèi)蒙古伊泰京粵酸刺溝礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

針對酸刺溝煤礦4號煤與6號煤頂板巖層與工作面初采特點(diǎn)，分析頂板巖層水力壓裂的分層弱化與初次垮落特點(diǎn)。通過觀察頂板巖層結(jié)構(gòu)和監(jiān)測水力裂縫擴(kuò)展、水壓變化以及頂板垮落情況，確定鉆孔與壓裂參數(shù)。研究結(jié)果表明：采用單孔多次壓裂方法可有效弱化、分層頂板，頂板分層、分區(qū)域、分次及時(shí)垮落，保證工作面初采安全；對于4號煤頂板，壓裂鉆孔間距為10m，水壓為10～20MPa；對于6號煤頂板，壓裂鉆孔間距為8～10m，水壓為13～30.8MPa。與爆破強(qiáng)制放頂方法相比，水力壓裂初次放頂法更為安全、合理。

水力壓裂；強(qiáng)制初次放頂；頂板巖層弱化

水力壓裂技術(shù)在我國煤礦井下的研究已經(jīng)較為豐富，其應(yīng)用也極為廣泛。通過對煤巖體實(shí)施水力壓裂作業(yè)，可以達(dá)到提高瓦斯的滲透性[1-3]、提高綜放工作面堅(jiān)硬頂煤的冒放性[4]、防止沖擊地壓[5- 6]等目的。近幾年來，水力壓裂技術(shù)在堅(jiān)硬難垮頂板的控制中表現(xiàn)出一定的優(yōu)越性[7-9]，已經(jīng)在晉城、神東等礦區(qū)推廣應(yīng)用。

酸刺溝煤礦主采煤層為4號煤和6號煤，通常采用爆破方法強(qiáng)制放頂，否則易造成大面積懸頂來壓，嚴(yán)重影響人員與設(shè)備安全[10]。爆破強(qiáng)制放頂是在工作面支架推出切眼后，在支架后方裝藥爆破，實(shí)施放頂作業(yè)。在此過程中，工作面無法正常回采，爆破產(chǎn)生大量有毒有害氣體，危及工人生命安全，同時(shí)爆破產(chǎn)生的震動(dòng)會對工作面支架產(chǎn)生較大影響。因此，針對酸刺溝煤礦初次放頂存在的問題，根據(jù)煤頂板巖層及開采條件，通過對頂板巖層實(shí)施水力壓裂弱化處理，分析水力壓裂在酸刺溝煤礦工作面初次放頂中的適應(yīng)性。分別在4號煤4203工作面和6號煤6上115面頂板進(jìn)行壓裂作業(yè)，監(jiān)測水壓、水力裂縫擴(kuò)展以及工作面初采時(shí)頂板垮落情況，評價(jià)水力壓裂在初次放頂中的作用，并在安全性和合理性方面與爆破強(qiáng)制放頂方法進(jìn)行對比。

酸刺溝煤礦6煤(煤層厚度平均為10m)采用綜采放頂煤方法開采，初次垮落時(shí)空間大，一次垮落時(shí)排出空氣量和沖擊較大。為了保證水力壓裂初次放頂試驗(yàn)的安全性并掌握酸刺溝煤礦頂板垮落的規(guī)律，首先在4203綜采工作面(煤層厚度為3.6m)實(shí)施水力壓裂初次放頂試驗(yàn)，為6煤水力壓裂初次放頂?shù)於ɑA(chǔ)。

1　4203工作面頂板壓裂

1.1工作面條件

4203工作面煤層平均厚度3.6m，煤層傾角2°，工作面傾向?qū)挾?40m。東至4203輔運(yùn)巷，西至4203膠運(yùn)巷，南至4203切眼，北至4203主回撤通道。東鄰4201工作面，西鄰未開采煤體。

根據(jù)鉆孔柱狀，工作面直接頂為4m深灰色泥巖，基本頂為7m粗粒含礫砂巖，灰白色，局部為粉砂巖、細(xì)砂巖。

初次垮落前頂板類似為固支梁，其初次來壓步距Lf由下式確定：

Lf=h(2Rt/q)1/2

(1)

式中，h為基本頂厚度，取9m；Rt為基本頂抗拉強(qiáng)度，取2.5～3.8MPa；q為基本頂巖層承受載荷，根據(jù)組合梁原理，取205kPa。可得工作面初次來壓步距約為：Lf=44～54m。

根據(jù)頂板巖層結(jié)構(gòu)確定壓裂位置和壓裂次數(shù)(圖1)。選擇完整段實(shí)施壓裂，避免在裂隙或巖層交互位置壓裂。采用倒退式壓裂法，由鉆孔深部向孔口位置逐次壓裂。最后一次壓裂位置選擇在距離孔口4m以上，避免工作面回采到該位置時(shí)支架前方漏頂。

1.2壓裂設(shè)計(jì)

水力壓裂初次放頂作業(yè)是在工作面切眼支護(hù)完成之后，在支架及采煤設(shè)備安裝之前，對工作面煤體上覆頂板巖層進(jìn)行水力預(yù)裂，提前在頂板中形成人為裂縫，弱化頂板的完整性及其整體強(qiáng)度，工作面初采時(shí)頂板能夠及時(shí)垮落。

圖1　頂板巖層結(jié)構(gòu)

根據(jù)工作面頂板巖層結(jié)構(gòu)、層厚、采高(影響高度為其4～6倍)等參數(shù)，確定4203工作面水力壓裂設(shè)計(jì)見圖2。鉆孔參數(shù)為：

(1)壓裂鉆孔S的長度為26m，傾角為45°，見圖2(b)。

(2)壓裂鉆孔L的長度為37m，傾角為30°，見圖2(c)。

(3)備用鉆孔長度50m，傾角30°，與煤壁夾角75°。

1.3頂板壓裂與頂板垮落

采用單孔多次壓裂方式，從鉆孔底部逐步向孔口處逐次壓裂，L孔壓裂次數(shù)約為10次，S孔壓裂次數(shù)約為7次。備用孔不實(shí)施壓裂，用于頂板無法及時(shí)垮落時(shí)使用。壓裂時(shí)間根據(jù)鉆孔周圍鉆孔以及錨索出水情況確定，當(dāng)出水量與進(jìn)水量(80L/min)相當(dāng)時(shí)，停止壓裂作業(yè)。

壓裂過程中，監(jiān)測水壓變化，水壓大小為10～29MPa，典型壓裂曲線見圖3，通過監(jiān)測水壓分析裂縫擴(kuò)展情況。壓裂開始時(shí)，水壓上升較快，裂縫通常以較高水壓起裂，隨后壓力小幅下降，以穩(wěn)定水壓開始擴(kuò)展，表明頂板巖層較為致密完整，天然裂縫不發(fā)育，水力裂縫可在頂板巖層中大范圍擴(kuò)展，一段時(shí)間后臨近鉆孔有壓裂水流出并逐漸增大，表明裂縫擴(kuò)展范圍可達(dá)10m。

圖3　4203工作面壓裂水壓變化

4203工作面頂板經(jīng)水力預(yù)裂后安裝采煤設(shè)備并進(jìn)行初采，工作面推進(jìn)13m時(shí)直接頂全部垮落，推進(jìn)約40m時(shí)基本頂垮落。頂板垮落過程呈現(xiàn)出分層、分次、及時(shí)逐步垮落的特點(diǎn)，垮落過程中未形成颶風(fēng)，未對工作面產(chǎn)生沖擊，工作面實(shí)現(xiàn)了安全初采，表明水力壓裂初次放頂技術(shù)在酸刺溝4號煤層是可行性的。

2　6上115工作面頂板壓裂

酸刺溝煤礦6號煤層厚度約為10m，直接頂為粗砂巖(白色，成分以石英、巖屑為主)，厚度32m，上方為中粒砂巖(白色，厚層狀，半堅(jiān)硬)，厚度4.9m。根據(jù)鉆孔窺視結(jié)果可知，頂板巖層厚度較大、致密完整、整體性和穩(wěn)定性較好，巖石抗壓強(qiáng)度約為30MPa。

針對6號煤層，酸刺溝煤礦采用綜采放頂煤采煤法，頂板垮落時(shí)采空區(qū)空間較大，根據(jù)頂板柱狀、巖層厚度、采高與頂煤厚度、4203工作面壓裂經(jīng)驗(yàn)，確定6上115工作面水力壓裂參數(shù)。鉆孔參數(shù)為：壓裂鉆孔S的長度為37m，傾角為45°，鉆孔間距16～20m；壓裂鉆孔L的長度為42m，傾角為20°，鉆孔間距16～20m；備用鉆孔長度46m，傾角30°。L孔與S孔交替布置。典型壓裂曲線見圖4。

圖4　6上115工作面壓裂水壓變化

從圖4看出，水壓急劇增大到約20MPa時(shí)起裂，產(chǎn)生較小裂縫或使天然裂縫張開，緊接著水壓短暫下降后再次迅速上升，達(dá)到30.8MPa后裂縫再次起裂，隨后水壓逐步下降，裂縫開始大范圍擴(kuò)展，擴(kuò)展過程中水壓出現(xiàn)小幅波動(dòng)，說明頂板巖層中存在少量天然裂縫。此外，6煤頂板壓裂水壓大于4煤壓裂所需水壓，是由6煤埋深大于4煤所致。

頂板垮落過程見表1，表1中描述了工作面2個(gè)端頭和工作面中部頂板垮落情況。工作面推進(jìn)約9.5m時(shí)直接頂從切眼中部分層、分次逐步垮落，垮落矸石厚度可將支架掩蓋，在基本頂來壓時(shí)充當(dāng)墊層，緩沖基本頂來壓強(qiáng)度。工作面2個(gè)端頭頂板有錨桿、錨索以及煤柱支撐，滯后工作面中部頂板垮落，由于其懸頂面積較小，并且垮落時(shí)有煤柱支撐的作用，不會出現(xiàn)大面積一次性垮落的情況。在工作面推進(jìn)約38m后，基本頂來壓，支架工作阻力急劇上升，接近額定工作阻力，工作面煤炮聲加劇，來壓過程中，未產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊，未在機(jī)頭和機(jī)尾處形成颶風(fēng)，表明水力壓裂初次放頂技術(shù)能夠弱化頂板巖層，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)并保證初采安全。

3　與爆破強(qiáng)制放頂比較

酸刺溝礦曾采用切眼和兩巷深孔預(yù)裂爆破方法進(jìn)行工作面頂板強(qiáng)制初次放頂[10]。爆破鉆孔在工作面設(shè)備安裝前施工，爆破作業(yè)在工作面支架推出切眼后實(shí)施。鉆孔長度約18m，仰角33°，直徑85mm，采用高威力乳化炸藥，裝藥量50.8kg/孔。傾向300m長工作面炸藥量約2t。消耗性火工品包括導(dǎo)爆索、雷管、PVC管等，爆破過程中產(chǎn)生的強(qiáng)烈震動(dòng)影響支架安全，并且需在回風(fēng)巷多處設(shè)置警戒，防止有毒有害氣體危害人員安全。

表1　6上115工作面頂板初次垮落過程

與爆破強(qiáng)制放頂相比，水力壓裂初次放頂作業(yè)是在工作面采煤設(shè)備安裝前全部完成，不影響工作面連續(xù)回采。避免使用大量炸藥、雷管等消耗性火工品，水力壓裂設(shè)備與材料可回收利用。水力壓裂作業(yè)不會產(chǎn)生震動(dòng)以及有毒有害氣體等安全隱患，安全性大幅提升。

因此，與爆破方法相比，水力壓裂技術(shù)更加安全、合理。

4　結(jié)　論

通過在4203工作面和6上115工作面進(jìn)行水力壓裂初次放頂技術(shù)研究，分析水力壓裂技術(shù)在酸刺溝煤礦初次放頂中的適應(yīng)性及合理性，該技術(shù)在具有致密堅(jiān)硬、厚且穩(wěn)定以及裂隙不發(fā)育的煤巖體弱化中具有廣闊的應(yīng)用前景，得到如下結(jié)論：

(1)采用單孔多次水力壓裂方法，可有效弱化厚度大、穩(wěn)定性和整體性強(qiáng)的頂板巖層。在初采過程中，使其分次、分層及時(shí)地分區(qū)域逐步垮落，滿足初采頂板管理要求。

(2)酸刺溝煤礦壓裂鉆孔間距約為8～10m，鉆孔長度為26～37m，壓裂水壓約為10～30MPa，壓裂次數(shù)為7～10次。

(3)與爆破強(qiáng)制放頂方法相比，水力壓裂初次放頂技術(shù)更為安全、綠色。

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[責(zé)任編輯：潘俊鋒]

Application of Hydraulic Fracturing in First Roof Caving of Suancigou Coal Mine

FENG Yan-jun1，ZHOU Yu-cang2,LIU Yong1,LI Yan2,WANG Zhi-chao1,MA Bing1,DUAN Shu-wu1

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.Inner Mongolia Yitai Jingyue Suancigou Mine Co.，Ltd.，Erdos 017209，China)

Based on the characters of roof strata and working face first mining of No.4 and No.6 coal seam of Suancigou coal mine，then the characters of layered weakening and first collapse of roof strata under hydraulic fracturing.Drilling holes and fracturing parameters were determined ，after the roof strata structures，hydraulic cracks developed，water pressure variation and roof collapse situation were observed.The studying results showed that roof strata could be layered and weakening effectively under fractured repeatedly in one hole，roof strata collapse characters as layered，regional，gradation and timely，so working face first mining safety was guaranteed.Fracture holes spacing were 10m and 8～10m，water pressure were 10～20MPa and 13～30.8MPa for No.4 and No.6 coal seam，respectively.Hydraulic fracturing was more safety and reasonable in first roof caving for exploding forced roof caving.

hydraulic fracturing；forced first roof caving；roof strata weakening

2016-03-18

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

馮彥軍(1980-)，男，山西呂梁人，博士，主要從事煤巖體水力預(yù)裂弱化技術(shù)研究及其推廣工作。

TD327.23

A

1006-6225(2016)05-0075-04

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.021

[引用格式]馮彥軍，周瑜蒼，劉勇，等.水力壓裂在酸刺溝煤礦初次放頂中的應(yīng)用[J].煤礦開采，2016，21(5)：75-78.