水力壓裂技術(shù)在煤礦堅硬難垮頂板中的應(yīng)用

蘇 波

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

我國煤層賦存條件較為復(fù)雜，其中堅硬難垮頂板的煤層約占三分之一左右[1]。該類頂板的特點(diǎn)是：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)[2]，煤層開采后很難垮落，形成大面積懸頂，一旦垮落將形成颶風(fēng)，有強(qiáng)烈的動力顯現(xiàn)，造成人身安全和財產(chǎn)損失。

從20世紀(jì)50年代開始，我國眾多學(xué)者針對堅硬難垮頂板展開了大量理論與試驗(yàn)研究[3-8]，積累了大量的寶貴經(jīng)驗(yàn)。目前常用的方法如下：炸藥爆破；CO2預(yù)裂；固體產(chǎn)氣壓裂劑；高壓蓄能氣體；定向水力壓裂。其中用炸藥爆破的方式，在裝藥和放炮過程中安全隱患較大，污染井下環(huán)境，對淺埋深煤層的地面建筑構(gòu)成危險等。用CO2、高壓儲能氣體和固體產(chǎn)氣壓裂劑預(yù)裂的方式對完整、致密的頂板效果不佳，固體產(chǎn)氣壓裂劑預(yù)裂是用點(diǎn)燃的方式進(jìn)行氣體的釋放，存在較大的安全隱患，在高瓦斯礦井無法推廣。定向水力壓裂技術(shù)是一項(xiàng)安全、有效的控制堅硬難垮頂板的技術(shù)[9-11]，該技術(shù)通過跨式膨脹性封孔器對壓裂段進(jìn)行封閉，利用高壓水將封閉段進(jìn)行壓裂，將頂板不同位置巖體進(jìn)行壓裂，生成多條裂紋，最終形成裂紋網(wǎng)絡(luò)，從而達(dá)到弱化頂板的目的，隨著工作面的推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)頂板分層、分次垮落，減弱老頂初次來壓強(qiáng)度，保證工作面安全。本文以神府煤田的何家塔煤礦為例，分析定向水力壓裂技術(shù)在控制煤礦堅硬難垮頂板方面的優(yōu)越性，以期為我國煤礦在堅硬難垮頂板的控制方面提供一種新的方法。

1 定向水力壓裂技術(shù)

通過對施工地點(diǎn)的鉆孔柱狀圖結(jié)合井下現(xiàn)場鉆孔施工時頂板不同層位巖性情況的綜合分析，選取壓裂位置，利用切槽鉆頭對選取段的巖體進(jìn)行橫向切槽，用跨式膨脹性封孔器對切槽位置進(jìn)行封閉，通過封孔器之間鐵管處的出水孔進(jìn)行高壓水加壓，當(dāng)水壓達(dá)到一定值時，裂紋在橫向切槽端部起裂并擴(kuò)展，其擴(kuò)展方向及擴(kuò)展長度與水壓、流量、地應(yīng)力的大小及方向和巖石的彈性參數(shù)及斷裂韌度有關(guān)[12]，在同一鉆孔內(nèi)，多次選取不同的壓裂位置進(jìn)行壓裂，產(chǎn)生多條裂紋，從而形成裂紋網(wǎng)絡(luò)，破壞頂板的完整性，改變鉆孔周圍的力學(xué)環(huán)境，削弱頂板的承載能力，最終實(shí)現(xiàn)隨著工作面的推采，采空區(qū)頂板逐漸分層、分次的垮落，降低老頂初次來壓強(qiáng)度，避免采空區(qū)大面積垮落形成的颶風(fēng)對人員、設(shè)備的危害。

1—進(jìn)水管路；2—高壓水泵；3—水泵壓力表；4—流量計；5—手動泵；6—供水膠管；7—手動泵壓力表；8—水壓儀；9—接頭；10—注水鋼管；11—樹脂管；12—儲能器；13—封孔器；14—壓裂鋼管；15—預(yù)裂縫；16—下封孔器注水管；17—鉆孔圖1 水力壓裂系統(tǒng)布置示意圖

2 工作面地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)概況

2.1 工作面概況

何家塔煤礦位于陜西省榆林市神木縣北部，神府煤田中部何家塔村附近，采用綜合機(jī)械化采煤方法，全部垮落法管理頂板。50109工作面切眼沿5-2煤層底板掘進(jìn)。傾向長度為245m，煤層頂?shù)装鍘r性見表1。地面標(biāo)高為1160m，煤層底板標(biāo)高為965～990m。工作面四周都是未開采的實(shí)體煤，沒有老空水。老頂為致密堅硬的細(xì)粒砂巖，直接頂巖性為粉、細(xì)砂巖，致密堅硬，含少量孔隙水，大部分頂板屬于中等冒落～難冒落頂板。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性情況

2.2 地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)

2.2.1 鉆孔窺視

在50109工作面切眼內(nèi)選取了具有代表性的地點(diǎn)進(jìn)行鉆孔內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)觀測，如圖2所示。

圖2 鉆孔窺視圖

從窺視孔可以看出頂板巖層較為完整。頂板以上0～8.9m為中粒砂巖，灰白色或灰黑色，砂質(zhì)膠結(jié)，水平層理，夾砂巖條帶，其中1.3m、5.2m、8.0m和8.3m處為夾層，巖層整體完整性較好；8.9～13.9m為粉砂巖，砂質(zhì)膠結(jié)，中厚層狀，其中在9.1～9.3m處破碎，巖層完整性一般；13.9～16.0m為細(xì)砂巖，灰白色，砂質(zhì)膠結(jié)，巖層較完整。16.0～16.4m為煤；16.4～16.9m處為粉砂巖，巖層較完整；16.9～17.5m為煤；17.6～21.0m為粉砂巖。

2.2.2 巖層強(qiáng)度

在上述鉆孔10m范圍內(nèi)利用WQCZ-56型圍巖強(qiáng)度測定裝置進(jìn)行強(qiáng)度測試得出：頂板以上0～8.9m為中粒砂巖，局部有夾層，巖層單軸抗壓強(qiáng)度平均值為37.39MPa；8.9～10m為粉砂巖，巖層強(qiáng)度平均值為30.27MPa。

2.2.3 地應(yīng)力測試

利用SYY-56型水壓致裂地應(yīng)力測量裝置對施工地點(diǎn)附近進(jìn)行地應(yīng)力測量，何家塔煤礦最大水平主應(yīng)力為10.03MPa，最小水平主應(yīng)力為5.44MPa，垂直應(yīng)力為4.66MPa；可以判斷測試區(qū)域地應(yīng)力場在量值上屬于中等值應(yīng)力區(qū)。

從測試結(jié)果來看，測站最小水平主應(yīng)力均大于垂直應(yīng)力，應(yīng)力場類型為σH>σh>σV型，構(gòu)造應(yīng)力占絕對優(yōu)勢。何家塔煤礦所測測站最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹47.0°W。

3 50109工作面切眼頂板水力壓裂設(shè)計

3.1 設(shè)計依據(jù)

50109工作面老頂厚度較大，整體性強(qiáng)、穩(wěn)定性好，初次垮落需采取強(qiáng)制措施。根據(jù)現(xiàn)場及周邊環(huán)境的調(diào)研和煤、巖層厚度，圍巖結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和地應(yīng)力大小、方向等參數(shù)，得出水力壓裂鉆孔的深度、角度、排距、裂紋起縫壓力、擴(kuò)展壓力等參數(shù)。

3.2 壓裂設(shè)計

為了保證垮落效果，故設(shè)計L、S、A、J四種鉆孔，且L、S、J孔為壓裂孔，A孔為備用孔。切眼水力壓裂鉆孔布置如圖3所示。其中，壓裂鉆孔L長度37m，傾角為25°；壓裂鉆孔S長度34m，傾角為45°；壓裂鉆孔A長度42m，傾角35°；壓裂鉆孔J長度25m，傾角50°。

圖3 50109切眼水力壓裂施工圖

3.3 壓裂效果分析

50109切眼水壓曲線如圖4所示，由圖4可看出，在高壓水的作用下當(dāng)水壓大于巖體該處的抗拉強(qiáng)度時，巖體將發(fā)生破壞，在該處產(chǎn)生裂縫，并逐漸擴(kuò)展，可以從圖中直觀的讀出，裂縫的起縫壓力和擴(kuò)展壓力。壓裂曲線呈現(xiàn)分段狀，這是表明壓裂位置是分段移動的，達(dá)到分層壓裂的目的。隨著壓裂位置逐漸靠近孔口，巖體的受力環(huán)境改變，抗拉強(qiáng)度降低，水壓逐漸減小，如圖4(a)所示。裂縫能夠在相對恒定壓力的作用下不斷擴(kuò)展，曲線呈現(xiàn)極其緊密的鋸齒狀，表明裂縫每次都以相對較小的尺寸不斷擴(kuò)展，如圖4(a)、(c)所示，但也不盡相同，有些壓裂過程，如圖4(b)所示，曲線呈現(xiàn)出明顯的波浪形，壓力有升有降，可能是由于巖層的不均勻性或是巖層的滲透率不同導(dǎo)致的；還有一些壓裂，在裂縫擴(kuò)展過程中壓力變化劇烈，可能是由于裂縫擴(kuò)展過程中遇到了原生裂隙或結(jié)構(gòu)面所致，或是由于局部地應(yīng)力場發(fā)生變化引起的。

圖4 50109切眼水壓曲線

從現(xiàn)場壓裂效果看出，距施工地點(diǎn)10m附近的鉆孔及此范圍內(nèi)的錨桿、錨索均有水流出，可以判定壓裂裂縫的擴(kuò)展范圍約為10m，形成裂縫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對頂板的完整性進(jìn)行了破壞，強(qiáng)度進(jìn)行了弱化。

3.4 垮落效果

50109切眼推進(jìn)約10m位置時，切眼中部頂板開始冒落，隨后向兩端移動，隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，頂板逐漸分層分次依次垮落，推進(jìn)約20m位置時，采空區(qū)已冒落嚴(yán)實(shí)，待工作面推進(jìn)至50m時，老頂初次來壓，來壓較為緩和，僅有少數(shù)支架安全閥開啟，達(dá)到預(yù)期效果。

4 結(jié) 論

1)水力壓裂設(shè)計中的鉆孔長度、角度、開裂壓力、擴(kuò)展壓力等參數(shù)，必須建立在對現(xiàn)場環(huán)境的調(diào)研和對煤、巖層厚度，圍巖結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和地應(yīng)力大小、方向等力學(xué)環(huán)境充分掌握后確定的。

2)在選取好鉆孔內(nèi)壓裂位置后，先用切槽鉆頭進(jìn)行切槽，隨后將跨式封孔器進(jìn)行封閉，利用高壓水進(jìn)行壓裂，隨著相鄰多個鉆孔分層、分次的壓裂，形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，從而達(dá)到弱化堅硬難垮頂板的目的。

3)壓裂曲線呈現(xiàn)出不同形態(tài)，與壓裂工藝本身有關(guān)，也可能是由于巖層的不均勻性或是巖層的滲透率不同導(dǎo)致的，再則可能是由于裂縫擴(kuò)展過程中遇到了原生裂隙或結(jié)構(gòu)面所致，或是由于局部地應(yīng)力場發(fā)生變化引起的。

4)壓裂裂縫的擴(kuò)展情況，可以通過現(xiàn)場相鄰鉆孔和附近錨桿、錨索的漏水情況得出。

5)通過該技術(shù)預(yù)裂頂板后，隨著工作面的推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)頂板分層、分次垮落，減弱老頂初次來壓強(qiáng)度，保證工作面安全推采。