侏羅系采空區(qū)煤柱上下堅(jiān)硬巖層協(xié)同壓裂控制技術(shù)

宗建強(qiáng)

（山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司長平公司，山西 晉城 048000）

1 同忻礦概況

大同煤田同忻礦區(qū)內(nèi)賦存侏羅系和石炭系雙系煤層，層間距150～300 m。侏羅系煤層已開采近100年，系內(nèi)煤層賦存廣泛，層位較多，煤層開采后遺留了大量煤柱?，F(xiàn)礦區(qū)主采石炭系3-5#煤層，平均厚度14～25 m，采用放頂煤一次采全厚，開采后覆巖垮落運(yùn)移空間大。雙系間巖層較為堅(jiān)硬，抗壓強(qiáng)度在40～120 MPa。

同忻礦主采石炭系3-5#煤層，以8203、8202相鄰工作面為研究背景。工作面煤層厚度15.65～25.28 m，平均 21m，傾角 0～3.5°，煤層標(biāo)高 790-815 m，兩工作面長度均200 m，礦井先采8203工作面。8203、8202工作面上部侏羅系14#煤層遺留煤柱，寬為40 m，高度3.4 m，埋深321.8m，遺留煤柱與8203工作面呈斜交狀態(tài)，與8202工作面呈垂直狀態(tài)，煤柱與工作面對照見圖1。其中緊鄰煤柱下方存在一厚17.5m的細(xì)砂巖，該砂巖堅(jiān)硬完整，抗壓強(qiáng)度達(dá)80～120MPa，距煤層141.9m。

8203工作面開采過程中，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，尤其在工作面開采至上覆侏羅系煤柱對應(yīng)位置處，強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)愈發(fā)突出。

圖1 工作面與煤柱對照關(guān)系

2 壓裂層位的確定

研究表明，作面推進(jìn)至上覆煤柱對應(yīng)位置處，上覆煤柱大結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力集中造成高位硬厚巖層發(fā)生破斷，高位硬厚巖層大面積的破斷回轉(zhuǎn)連同上覆煤柱結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)運(yùn)動是造成工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的主要原因。因此，通過破壞上覆煤柱結(jié)構(gòu)以減少其應(yīng)力集中程度，或人為降低高位硬厚巖層的整體強(qiáng)度，減少其破斷步距，降低其破斷強(qiáng)度是控制工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的兩種有效途徑[1-2]。

地面鉆井壓裂技術(shù)的原理是采用液壓泵將壓裂液注入目標(biāo)層，使得在目標(biāo)層內(nèi)形成人工增透裂縫，與此同時(shí)也降低了巖層的整體性及其強(qiáng)度[3-6]。

因上覆煤柱結(jié)構(gòu)受開采擾動和集中應(yīng)力作用，裂隙節(jié)理高度發(fā)育，對其實(shí)施壓裂時(shí)壓裂液濾失漏液現(xiàn)象嚴(yán)重，無法達(dá)到壓裂要求，難以實(shí)現(xiàn)對上覆煤柱結(jié)構(gòu)的破壞改性。上覆17.5m厚細(xì)砂巖相對完整性較好，通過對厚砂巖實(shí)施壓裂，可有效防止巖層的整體性回轉(zhuǎn)失穩(wěn)，壓裂后厚砂巖層完整性及其巖石強(qiáng)度大大降低，隨工作面開采及時(shí)發(fā)生垮落，同時(shí)引發(fā)煤柱上覆巖層也發(fā)生垮落，見圖2。另外，壓裂后厚砂巖層中裂隙發(fā)育程度高，在采動應(yīng)力和煤柱集中應(yīng)力共同作用下，裂隙更加發(fā)育，巖層破碎，在一定程度減弱了上覆應(yīng)力的傳遞，從而降低了工作面的礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度。因此，確定緊鄰煤柱17.5m硬厚細(xì)砂巖為壓裂目標(biāo)層。

圖2 壓裂控制機(jī)理及層位

3 鉆孔位置選擇與施工

因煤柱兩側(cè)14#煤層開采后頂板垮落，巖層失穩(wěn)破壞，在該區(qū)域內(nèi)打壓裂鉆井難度大，鉆井圍巖破壞嚴(yán)重，將會導(dǎo)致漏液嚴(yán)重，無法實(shí)施壓裂。煤柱處上覆巖層相對較為完整，因此在距8202面940m，距進(jìn)風(fēng)巷道60m，正對煤柱上方，自地表垂直向下打壓裂井，壓裂井底深度400.38m。根據(jù)鉆孔工藝，首先采用Ф311mm鉆頭自地表鉆進(jìn)至穩(wěn)定基巖段10m后，下入Ф244.5mm×8.94mm套管，而后采用Ф215.9mm鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)至結(jié)束，下入Ф139.7mm×7.72mm套管。在目標(biāo)層內(nèi)，分為A、B兩個區(qū)域進(jìn)行壓裂，見圖3。

首先進(jìn)行射孔在壓裂井四壁形成多個小孔，使壓裂液能夠通過小孔進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)壓裂。設(shè)計(jì)各區(qū)域壓裂井的密度高達(dá)16個/m，參數(shù)見表1；壓裂主要分為兩個步驟：①選用50m3酸液進(jìn)行初次壓裂，其成分為12%HCL+5%HF，通過對巖層進(jìn)行溶蝕作用，降低巖石的力學(xué)性能，②采用攜砂液和510.0m3清水繼續(xù)壓裂，采用攜砂液進(jìn)行壓裂的目的是為了防止裂縫閉合，增加壓裂效果。

在8202工作面地表布設(shè)檢波器監(jiān)測壓裂過程中微地震波信號以描述水壓裂縫擴(kuò)展規(guī)律。檢波器埋深10cm，布置方案見圖3。

圖3 地面壓裂示意

表1 壓裂參數(shù)

采用6臺車用于承載壓裂液，2臺車用于承載石英砂，1臺儀表車；儲備壓裂清水500m3。L型水平井可以人為控制水平鉆井的掘進(jìn)方向，因此可以根據(jù)壓裂需要調(diào)整鉆井方向，但L型鉆井壓裂成本高，工藝復(fù)雜，操作難度大；垂直井壓裂裂縫擴(kuò)展與巖層地應(yīng)力有直接關(guān)系，垂直井壓裂工藝相對簡單，在垂直井滿足裂縫擴(kuò)展要求的基礎(chǔ)上，優(yōu)先選擇垂直井壓裂[7-10]。

4 水壓裂縫形態(tài)分析

根據(jù)壓裂監(jiān)測方案，微震監(jiān)測得到壓裂擴(kuò)展規(guī)律如圖4。

圖4 裂縫擴(kuò)展形態(tài)

由圖4，最終壓裂裂縫與工作面呈斜交形態(tài)，與工作面夾角約15°，裂縫向兩個相反方向分別延伸140m、120m，總長達(dá)260m。裂縫擴(kuò)展范圍覆蓋了整個工作面長度，裂縫擴(kuò)展效果較好。

得到壓力液的壓力與流量的線性規(guī)律見圖5，在壓力達(dá)21.7MPa時(shí)，巖石開始發(fā)生破裂，隨后降低并逐漸趨于穩(wěn)定，壓裂的持續(xù)擴(kuò)展壓力約6.5MPa。壓裂完成后，耗液量為480m3。

圖5 壓裂液壓力及流量

5 水力壓裂堅(jiān)硬頂板的效果

自8202工作面距上覆煤柱水平距離50～60m起，至推出煤柱50m范圍內(nèi)，以中間#55支架為例，對工作面來壓特征進(jìn)行分析。

8202工作面進(jìn)入煤柱位置16m后，發(fā)生來壓，來壓持續(xù)步距達(dá)19m，來壓強(qiáng)度40～41MPa；間隔13m后，又出現(xiàn)一次來壓，但此次來壓時(shí)間短，強(qiáng)度低。

另外，對8202、8203工作面過煤柱期間支架阻力分布特征統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在支架工作阻力9000～18000kN區(qū)間內(nèi)，8202工作面占比62.18%，8203工作面占比80.79%?？梢娊?jīng)地面壓裂后，工作面支架的受力狀態(tài)明顯改善。

可見相比于8203工作面，通過對緊鄰煤柱下部的硬厚巖層實(shí)施壓裂，一方面有效弱化了煤柱處的應(yīng)力集中，另一方面降低了17.5m細(xì)砂巖層的整體性，預(yù)防了強(qiáng)礦壓的發(fā)生；8202工作面推進(jìn)至煤柱影響區(qū)時(shí)的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)步距、次數(shù)及強(qiáng)度均明顯降低。

6 結(jié) 論

1）采用侏羅系采空區(qū)煤柱上下堅(jiān)硬巖層協(xié)同壓裂控制技術(shù)對同忻煤礦8202工作面上覆堅(jiān)硬頂板進(jìn)行了地面水力壓裂作業(yè)，現(xiàn)場實(shí)踐表明，裂縫擴(kuò)展長度達(dá)260m，覆蓋了整個工作面長度，相比于8203工作面，地面壓裂后8202工作面過煤柱期間強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)僅發(fā)生1次，來壓持續(xù)步距明顯降低，工作面支架的受力狀態(tài)明顯改善。

2）現(xiàn)場實(shí)踐表明，大空間采場堅(jiān)硬頂板地面壓裂精準(zhǔn)控制技術(shù)是有效控制礦井災(zāi)害的新型有效技術(shù)手段，為解決同類由堅(jiān)硬頂板引起的煤礦災(zāi)害的防治提供技術(shù)依據(jù)。