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      水力壓裂技術(shù)在煤礦堅硬難垮頂板中的應(yīng)用

      2019-05-05 02:25:28
      煤炭工程 2019年4期
      關(guān)鍵詞:水壓巖層水力

      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。

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