水力壓裂技術(shù)在工作面上隅角頂板治理中的應(yīng)用

王全明

(山西晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司 趙莊二號(hào)井,山西 長(zhǎng)治 046600)

1 問(wèn)題的提出

晉煤集團(tuán)趙莊二號(hào)井西翼盤區(qū)瓦斯含量大,采煤工作面在回采過(guò)程中由于一次采高大,工作面頂板直接冒落的矸石難以充填滿采空區(qū),頂板以一定角度向采空區(qū)傾斜,形成懸臂梁,造成回采工作面推進(jìn)過(guò)程中回風(fēng)順槽上隅角經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)頂板不能及時(shí)垮落現(xiàn)象,導(dǎo)致采空區(qū)后方懸頂面積增大容易造成瓦斯積聚。為了讓順槽巷道頂板及時(shí)垮落,上隅角懸頂處目前均采用爆破方法進(jìn)行處理,但該方法存在很大安全隱患。在瓦斯積聚區(qū)域進(jìn)行火藥爆破,極易造成瓦斯爆炸事故,如何更高效、更安全處理上隅角頂板成為當(dāng)前急需解決的問(wèn)題。

水力壓裂是指裂縫由于其內(nèi)部液體壓力的作用而開(kāi)裂并擴(kuò)展的過(guò)程,由于應(yīng)用領(lǐng)域的不同,有時(shí)也稱作水壓致裂或水力劈裂[1-3]。水力壓裂作為經(jīng)濟(jì)有效的煤礦堅(jiān)硬難垮頂板控制技術(shù),已在國(guó)外推廣應(yīng)用,可彌補(bǔ)爆破控頂?shù)燃夹g(shù)的不足[4-7]。結(jié)合水力壓裂技術(shù)處理堅(jiān)硬頂板的實(shí)踐成果[8-10],采用水力壓裂技術(shù)對(duì)趙莊二號(hào)井23012回風(fēng)順槽進(jìn)行水力壓裂,處理巷道頂板上隅角使其及時(shí)垮落,解決工作面上隅角瓦斯聚集問(wèn)題。

2 工程概況

趙莊二號(hào)井2301工作面埋深484.81 m～519.85 m,平均深度500 m左右。主采3#煤層層厚0.35 m～5.73 m,煤層頂板主要是深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖,局部為砂巖,圖1為工作面巖層巖性綜合柱狀圖。底板主要為黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖,深灰色砂巖。煤層頂板巖層分層較少,整體性較好,頂板巖層強(qiáng)度在20.4 MPa～97.4 MPa之間。

圖1 工作面巖層巖性綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive column diagram of rock lithology of the working face

采用SYY-56型小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測(cè)試裝置,在直徑56 mm的鉆孔中選擇比較完整的孔段進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量,一般情況下要大于巷道跨度的1.5倍～2.5倍。封孔后采用高壓泵向測(cè)試段注水直至巖石破裂,進(jìn)行3～4次裂縫重張?jiān)囼?yàn),記錄壓力數(shù)據(jù)。采用印膜器確定初始?jí)毫蚜鸭y位置,將印模膠筒上的基線和裂紋跡線描在薄膜上,以測(cè)取裂紋與基線的夾角,根據(jù)電子羅盤北向與基線夾角和基線與裂紋之間的夾角,便可確定裂紋的方位角。

圖2 地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)與23012巷相對(duì)位置關(guān)系Fig.2 Relative positions between geostress points and roadway 23012

圖2為3組地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位置,測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。測(cè)試結(jié)果顯示,三個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大水平主應(yīng)力最大值為14.78 MPa,最小值為13.02 MPa;最小水平主應(yīng)力最大值為7.58 MPa,最小值為6.71 MPa,應(yīng)力量值屬于中等應(yīng)力值,最大水平主應(yīng)力方向均為北偏東方向,應(yīng)力場(chǎng)類型以自重應(yīng)力場(chǎng)為主。

表1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果Table 1 Field test results

根據(jù)最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則:當(dāng)孔壁處最大拉應(yīng)力σmax達(dá)到巖石抗拉強(qiáng)度σt時(shí),裂縫在孔壁處起裂[11],即:

σmax=σt.

(1)

σmax與地應(yīng)力大小和方向以及水壓有關(guān),由式(1)可確定壓裂參數(shù)。

3 水力壓裂方案設(shè)計(jì)及施工

3.1 壓裂方案設(shè)計(jì)

依據(jù)上述工作面頂板巖層的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)及其地應(yīng)力場(chǎng),選擇巖層孔壁完整段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)定向水力壓裂。壓裂施工地點(diǎn)在23012回風(fēng)順槽超前支護(hù)范圍外,第一階段壓裂施工距離60 m,第二階段施工距離120 m,第三階段施工距離70 m,除部分泥巖頂板段外。

圖3為23012回風(fēng)順槽壓裂鉆孔采取雙側(cè)布置的方式示意圖。

3-a 平面圖

3-b 剖面圖

3-c 斷面圖圖3 23012回風(fēng)巷壓裂鉆孔布置示意圖Fig.3 Diagram of fracturing drilling in return airway 23012

在巷道靠近煤柱側(cè)布置兩排鉆孔,采用深淺孔交錯(cuò)布置,深淺孔間距5 m。煤柱側(cè)鉆孔(淺孔)布置在頂幫連接處開(kāi)孔,鉆孔直徑75 mm,鉆孔長(zhǎng)度為20 m,垂直煤幫,仰角角度為70°～80°,孔間距為10 m;工作面?zhèn)茹@孔(深孔)在頂板開(kāi)孔,位置距煤柱側(cè)巷幫1 m,鉆孔直徑75 mm,鉆孔長(zhǎng)度為48 m,鉆孔平行巷道軸線方向,仰角角度為60°,孔間距為10 m。為保證壓裂效果,壓裂鉆孔內(nèi)壓裂順序?yàn)橛蓛?nèi)而外,每3 m壓裂一次,每次壓裂時(shí)間為30 min。同時(shí)對(duì)于48 m深孔來(lái)說(shuō),孔口至孔內(nèi)8 m范圍內(nèi)不進(jìn)行壓裂,對(duì)于20 m孔來(lái)說(shuō)孔口至孔內(nèi)7 m范圍內(nèi)不進(jìn)行壓裂。壓裂作業(yè)需超前回采工作面50 m以上。為保證上隅角頂板及時(shí)垮落,在切頂架支設(shè)前將回風(fēng)巷錨桿卸除螺母、錨索退錨。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)施工工藝

頂板壓裂實(shí)施分段逐次壓裂法,采用膨脹型跨式封孔器進(jìn)行封孔,壓裂施工工藝,見(jiàn)圖4。

圖4 施工工藝Fig.4 Construction technology

具體施工工藝過(guò)程為:

1)利用地質(zhì)鉆機(jī)、堅(jiān)硬巖石專用鉆頭在需壓裂位置的頂板上打孔。根據(jù)封孔器的封孔直徑要求,鉆頭直徑為75 mm。

2)封孔。根據(jù)井下施工條件,采用膨脹介質(zhì)為水、由纖維加強(qiáng)的橡膠材料為彈性膜的跨式膨脹型封隔器進(jìn)行壓裂段封孔,見(jiàn)圖5。

圖5 跨式膨脹型封隔器封孔示意圖Fig.5 Diagram of sealing with straddle expansion packer

將橡膠封孔器置于預(yù)定封孔位置,接靜壓水對(duì)封孔器進(jìn)行排氣、試壓,查看封孔器是否漏水,回水是否通暢,保證運(yùn)作正常。通過(guò)注水泵將水壓入封孔器至10 MPa,觀察鉆孔并監(jiān)測(cè)壓力表,檢驗(yàn)封孔器能否保壓,確保封孔器正常工作。

3)壓裂。壓裂是利用壓裂系統(tǒng)能夠提供大流量、高水壓的泵提供高壓水,然后通過(guò)超高壓膠管、無(wú)縫輕便的注水鋼管以及壓裂鋼管進(jìn)行壓裂,通過(guò)泵的壓力表或水壓儀的壓力曲線監(jiān)測(cè)堅(jiān)硬頂板的壓裂過(guò)程,頂板被高壓水壓裂后水壓會(huì)突然下降,水泵處于開(kāi)啟狀態(tài),自動(dòng)增壓并保壓,在高壓水的作用下,堅(jiān)硬頂板的裂紋不斷擴(kuò)展,并且不斷有新裂紋產(chǎn)生。

現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中對(duì)每一個(gè)壓裂孔詳細(xì)記錄了作業(yè)時(shí)間、水壓值、注水流量等重要參數(shù),以便更好指導(dǎo)下一步壓裂施工。監(jiān)測(cè)表明,砂巖頂板區(qū)深孔底部壓裂段最大水壓34 MPa,淺孔底部最大水壓18 MPa。泥巖頂板孔底區(qū)域施工水壓相對(duì)較小,壓裂過(guò)程最大水壓值范圍20 MPa～26 MPa。

4 壓裂效果現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

4.1 上隅角垮落效果

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果表明,目前2301回采面已完全推過(guò)壓裂區(qū)范圍(回采里程300 m～600 m內(nèi)約250 m),上隅角頂板先后賦存砂巖、泥巖等不同地質(zhì)條件,除局部泥巖段垮落效果不理想外,實(shí)現(xiàn)了懸頂面積不大于10 m2的技術(shù)指標(biāo)。

4.2 離層監(jiān)測(cè)

為充分掌握壓裂區(qū)巷道圍巖變形情況,從水力壓裂點(diǎn)開(kāi)始每隔50 m布置一組離層儀,監(jiān)測(cè)頂板離層量,其中4號(hào)板離層儀監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6。

6-a 23012巷02號(hào)巷道頂板離層儀監(jiān)測(cè)圖

6-b 23012巷04號(hào)巷道頂板離層儀監(jiān)測(cè)圖圖6 回采過(guò)程頂板離層儀監(jiān)測(cè)曲線Fig.6 Monitoring curves of the roof separation indicators in the mining process

離層儀監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,1號(hào)～3號(hào)離層儀深部最大離層量28 mm,淺部最大離層值12 mm。第4號(hào)離層儀受采動(dòng)影響的最大啟動(dòng)距離110 m;回采面端頭深部最大離層量140 mm,淺部最大離層值72 mm。且急劇增大階段該離層儀處于超前支護(hù)范圍內(nèi)。頂板水力壓裂超前施工能夠滿足安全生產(chǎn)要求。

4.3 位移監(jiān)測(cè)

在超前段每隔30 m～70 m布置一組位移測(cè)站,監(jiān)測(cè)巷道圍巖變形量,其中23012巷4號(hào)巷道表面位移測(cè)站的監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 回采過(guò)程回風(fēng)巷道位移監(jiān)測(cè)曲線Fig.7 Monitoring curves of the return airway displacement in the mining process

巷道表面位移監(jiān)測(cè)得出,工作面回采過(guò)程中,巷道兩幫最大移近量為385 mm,頂?shù)装遄畲笠平?75 mm,且變形急劇增大階段處于巷道超前支護(hù)范圍內(nèi)。整體上23012巷回采面端頭巷道寬度不小于4 000 mm,高度2 500 mm～3 000 mm,完全能夠滿足安全生產(chǎn)要求。

5 結(jié)論

1)針對(duì)趙莊二號(hào)井回采工作面推進(jìn)過(guò)程中回風(fēng)順槽上隅角頂板不能及時(shí)垮落的問(wèn)題,并基于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)力學(xué)測(cè)試和評(píng)估,設(shè)計(jì)了水力壓裂方案和施工工藝。

2)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明,水力壓裂后的工作面懸頂面積不大于10 m2,說(shuō)明采用采用水力壓裂技術(shù)對(duì)頂板實(shí)施分段逐次壓裂,可以有效解決回風(fēng)順槽上隅角頂板不能及時(shí)垮落的問(wèn)題。

3)巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,水力壓裂技術(shù)不但能控制巷道上隅角的懸頂面積,而且能滿足回采巷道超前段在服務(wù)期限內(nèi)對(duì)安全生產(chǎn)的要求。