燕子山礦水壓預(yù)裂堅(jiān)硬頂板的技術(shù)應(yīng)用

李少波

(大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 大同 037037)

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·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

燕子山礦水壓預(yù)裂堅(jiān)硬頂板的技術(shù)應(yīng)用

李少波

(大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 大同 037037)

燕子山礦8403工作面頂板堅(jiān)硬，初采期間曾采用爆破預(yù)裂，但效果不佳，特在鄰面8401初采時(shí)，采用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)水壓致裂技術(shù)，對(duì)頂板預(yù)裂，相較8403面采用爆破預(yù)裂結(jié)果，采空區(qū)頂板提前15 m垮落。試驗(yàn)證明水壓致裂技術(shù)具有預(yù)裂效果好，單孔控制距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，可逐步替代傳統(tǒng)爆破預(yù)裂。

水壓致裂；堅(jiān)硬頂板；布孔；采空區(qū)

燕子山礦5#層8403工作面頂板堅(jiān)硬，初采期間雖經(jīng)爆破預(yù)裂但效果不佳，為消除鄰面8401初采時(shí)懸板隱患，特采用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)水壓致裂技術(shù)進(jìn)行頂板預(yù)裂試驗(yàn)。早期水壓致裂技術(shù)主要應(yīng)用于石油和天然氣增產(chǎn)方面，后被廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代，波蘭應(yīng)用水力壓裂技術(shù)，有效治理沖擊地壓，釋放堅(jiān)硬頂板的能量。近年來(lái)，黃炳香，鄧廣哲，劉長(zhǎng)友等國(guó)內(nèi)學(xué)者將水壓致裂技術(shù)應(yīng)用于頂煤預(yù)裂、提高頂煤回收率、防治瓦斯突出等方面，都取得了一定效果。水壓致裂技術(shù)在燕子山礦的成功試驗(yàn)，使該礦將逐步替代并淘汰傳統(tǒng)爆破預(yù)裂，以消除回采工作面初采時(shí)的懸板隱患。

1 工程概況

該礦西區(qū)5#層8401工作面長(zhǎng)150 m，采高3.0 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚度不穩(wěn)定，煤層全厚為6.35 m，有1～2層0.22～0.50 m的夾石。直接頂為4.73 m厚的細(xì)粒砂巖，致密堅(jiān)硬?；卷敒?1.26 m厚的細(xì)粒砂巖，硬度高。通過(guò)引進(jìn)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成套水壓致裂技術(shù)，對(duì)8401工作面頂板進(jìn)行預(yù)裂，確保采空區(qū)懸板及時(shí)垮落。該工作面頂?shù)装迩闆r見表1.

2 實(shí)施過(guò)程

2.1 工作面布孔方案

1) 在工作面設(shè)備穩(wěn)裝完成后，進(jìn)行第一輪致裂，即在工作面布置3個(gè)孔(鉆孔以45°仰角朝向推進(jìn)方向)，工作面中部一個(gè)，工作面兩端各一個(gè)。

表1 8401工作面頂?shù)装迩闆r表

2) 在工作面推進(jìn)至15 m時(shí)，進(jìn)行第二輪致裂，即在工作面布置4個(gè)孔(鉆孔以45°仰角朝向采空區(qū))，分別位于第一輪相鄰致裂孔的中部，與第一輪致裂孔成交叉布置。

3) 在繼續(xù)推進(jìn)至25 m時(shí)，則進(jìn)行第三輪致裂，在工作面布置鉆孔3個(gè)(鉆孔以45°仰角朝向采空區(qū))，位置與第二輪交錯(cuò)布置。

4) 進(jìn)行三輪致裂后，若古塘頂板仍未塌落，則按上述交叉布孔方式，每隔10 m進(jìn)行一輪致裂，見圖1.

圖1 各鉆孔位置分布示意圖

2.2 布孔參數(shù)

根據(jù)充填采空區(qū)所需頂板垮落高度計(jì)算得出，預(yù)裂高度至少距工作面頂板8 m,即基本頂下部?？咨罹鶠?1 m，仰角45°，孔間距根據(jù)水壓預(yù)裂實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，單孔擴(kuò)散半徑在10～15 m，特定為30 m. 因支架中心距1.5 m，故每隔20架布置1孔。

3 水壓預(yù)裂實(shí)施過(guò)程及情況

3.1 水壓預(yù)裂流程

1) 調(diào)試高壓泵、連接管路，做好準(zhǔn)備工作。2) 按設(shè)計(jì)方案施工鉆孔。3) 使用鉆孔窺視儀記錄鉆孔孔壁情況。4) 安裝封孔器、固定安裝桿，并通過(guò)高壓管連接水泵。5) 檢查接口、管路，并設(shè)置警戒后開泵預(yù)裂。6) 致裂過(guò)程中密切觀察管路壓力及現(xiàn)場(chǎng)情況。7) 預(yù)裂結(jié)束，將高壓管泄壓后，拆除管路、回撤封孔器。8) 待孔內(nèi)不反水時(shí)，用鉆孔窺視儀記錄致裂后孔內(nèi)形態(tài)，然后準(zhǔn)備預(yù)裂下一孔。

3.2 預(yù)裂情況及效果

1) 實(shí)施情況。

8401工作面從切眼起至采位35 m，共致裂4輪，14個(gè)孔，切眼致裂第一輪，后續(xù)每隔10 m致裂一輪?？咨罹鶠?1 m，仰角45°.

2) 致裂現(xiàn)象。

致裂時(shí)，致裂孔前后10架，礦壓表讀數(shù)呈先上升(2～4 MPa)后下降(泄壓)狀態(tài)，相應(yīng)支架后采空區(qū)頂板，不斷地有巨大斷裂聲響，局部零皮，一段時(shí)間后鄰孔貫通，第3、4輪致裂時(shí)，多個(gè)致裂孔因采空區(qū)頂板突然垮落導(dǎo)致瞬間泄壓，致裂孔與頂板垮落處大量出水。

3) 致裂效果分析。

a) 孔壁形態(tài)變化。

致裂前，利用鉆孔窺視儀對(duì)各鉆孔進(jìn)行觀察，孔壁情況大都比較完整，見圖2a)，致裂后，待孔停止滴水，觀測(cè)致裂段孔壁裂縫形態(tài)，發(fā)現(xiàn)形態(tài)各異，主要可分為軸向裂縫和徑向裂縫，見圖2b).

圖2 1#孔致裂前后孔壁形態(tài)比對(duì)圖

b) 致裂情況及采空區(qū)頂板塌落情況。

第一輪在工作面切眼致裂時(shí)工作面頂板響動(dòng)較小，未見出水處，致裂峰值壓力25 MPa；第二輪采位15 m致裂時(shí)，采空區(qū)頂板不斷出現(xiàn)頂板斷裂聲，峰值壓力22 MPa；第三輪采位25 m致裂過(guò)程中采空區(qū)頂板多次出現(xiàn)巨大響動(dòng)，采空區(qū)頂板零皮不斷，局部塌落，古塘頂板出水。經(jīng)采位35 m第四輪致裂后，采空區(qū)頂板已大范圍塌落，局部塌嚴(yán)，后繼續(xù)推進(jìn)至40 m時(shí)，采空區(qū)頂板塌落完全。

c) 與鄰面爆破強(qiáng)制放頂情況比對(duì)。

相鄰面8403初采時(shí)，在工作面推進(jìn)10～40 m期間，對(duì)頂板進(jìn)行多輪爆破預(yù)裂，期間共打炮孔20個(gè)，其中工作面13個(gè)，頭端頭3個(gè)，尾端頭4個(gè)，炮孔深度15 m，仰角45°，成扇形布置。直至工作面推進(jìn)至40 m時(shí)采空區(qū)頂板才開始垮落，推進(jìn)至55 m時(shí)，完全垮落。

與相鄰面8403初采時(shí)垮落情況對(duì)比(表2)，8401工作面采用水壓致裂強(qiáng)制放頂，采空區(qū)懸板提前15 m開始垮落及塌嚴(yán)，由此證明，水壓致裂起到較好效果。

表2 8401工作面與鄰面8403初采時(shí)頂板垮落情況表

3.3 水壓致裂安全技術(shù)措施

1) 使用ZLJ-150型鉆機(jī)，施工孔徑50 mm，鉆孔到位后采用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研制的專用擴(kuò)孔刀頭在孔底開槽。

2) 致裂孔施工完畢后，采用安裝桿逐節(jié)將封孔器送至距孔底0.5～1.5 m處，安裝桿間必須安裝密封圈，孔口外露安裝桿采用8#鐵絲固定牢靠。

3) 開泵前關(guān)緊泄壓閥，檢查泵至孔口間管路，確保高壓膠管完好無(wú)損，接頭連接牢固，然后在致裂孔前后20 m范圍設(shè)禁區(qū)，禁止任何人員行走和逗留，并安排專人監(jiān)管后，方可開工。

4) 高壓泵型號(hào)為BZW200型，致裂時(shí)，要嚴(yán)密監(jiān)視泵壓、流量變化情況，若泵壓顯著下降或致裂孔附近出水量大，可立即停泵致裂。

5) 致裂完成，經(jīng)停泵和泄壓后，方可拆除管路。

4 經(jīng)驗(yàn)與不足

1) 在實(shí)施水壓致裂前，首先要確定致裂孔深度，致裂高度應(yīng)足夠充滿采空區(qū)，封孔段應(yīng)在孔壁完整處。

2) 鉆孔要保持一定間距，根據(jù)8401工作面水壓致裂實(shí)施情況，鉆孔間距應(yīng)保持在25～30 m，比較合理。

3) 水壓致裂開始，初始?jí)毫_(dá)到峰值壓力后，可保持一定時(shí)間恒壓，證明預(yù)裂有效。

5 結(jié) 論

1) 與爆破放頂技術(shù)相比，水壓致裂工藝簡(jiǎn)單，成套裝備操作簡(jiǎn)便，且可多次使用，后期施工投入費(fèi)用少，單孔控制距離遠(yuǎn)，施工安全。

2) 鉆孔的間距、深度、封孔深度是能否成功預(yù)裂頂板的關(guān)鍵，具體參數(shù)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)頂板巖性確定。

[1] 鄧廣哲,王世斌,黃炳香.煤巖水壓裂縫擴(kuò)展行為特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004(20)：3489-3493.

[2] 黃炳香.煤巖體水力致裂弱化的理論與應(yīng)用研究[D].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2009.

[3] 孫守山,寧 宇,葛 鈞.波蘭煤礦堅(jiān)硬頂板定向水力壓裂技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，1999(2):55-56.

[4] 李杭州,張恩強(qiáng).堅(jiān)硬煤層注水預(yù)裂水壓力計(jì)算[J].西安科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2002(4):388-391.

[5] 王愛(ài)國(guó).同忻礦特厚煤層堅(jiān)硬頂板水壓致裂技術(shù)[J].煤礦安全，2015(3):54-57.

Application of Hydraulic Fracturing Technology with Hard Roof in Yanzishan Coal Mine

LI Shaobo

The roof of the No.8403 working face in Yanzishan Mine is very hard, and the blasting method was conducted for roof pre-cracking in the initial mining, but the effect is not good. So, the adjacent work face of No.8401 introduced the hydraulic fracturing technique from China Mining University, compared with in the No.8403 surface where the blasting was used, the hydraulic fracturing technique used in the No.8401 work face represent good results with roof caved 15 m forward. The experimental results show that the hydrocracking technique has the advantages of good pre-cracking effect and more far distance for single-hole control, and can gradually replace the traditional blasting.

Hydraulic fracturing; Hard roof; Hole arrangement; Goaf

2017-02-27

李少波(1987—)，男，山西大同人，2012年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，助理工程師，主要從事礦井技術(shù)管理工作

(E-mail)903856174@qq.com

TD823.85

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1672-0652(2017)04-0036-03