水力壓裂技術(shù)在工作面初次放頂中的應(yīng)用

摘 要：近幾年，我國煤礦企業(yè)也在嘗試將水力壓裂技術(shù)運(yùn)用到放頂煤工作面初次放頂工作中，之所以選擇水力壓裂技術(shù)，是因?yàn)樗毫鸭夹g(shù)可以通過鉆孔方式和鉆孔數(shù)量來控制頂板垮落的程度和時(shí)間，可以有效降低整體頂板同時(shí)垮落所造成坍塌事故的發(fā)生幾率，保障煤礦初步采集工作面安全生產(chǎn)。同時(shí)，水力壓裂技術(shù)可以提高煤礦開采總量，提高礦產(chǎn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)利益，促進(jìn)我國煤礦行業(yè)可持續(xù)繁榮發(fā)展。本文將對水力壓裂技術(shù)在放頂煤工作面初次放頂中的應(yīng)用進(jìn)行分析，并舉出實(shí)踐案例，希望可以被相關(guān)部門人員所采納。

關(guān)鍵詞：水泵壓裂技術(shù);初次放頂;安全隱患;作業(yè)條件;檢測方法;頂板防護(hù)

0 引言

由于初次放頂工作面采集高度是正常開采高度的2倍以上，因此初次放頂工作極容易造成頂板工作面坍塌。我國在改革開放后，北方城市率先開啟煤礦開采事業(yè)，南方城市緊隨其后，在短短幾十年后的今天，我國平原地區(qū)的已經(jīng)暫無煤礦區(qū)可以開采，煤礦企業(yè)不得不將煤礦開采區(qū)域向山區(qū)轉(zhuǎn)移。因?yàn)樯絽^(qū)煤礦開采深度增加，地應(yīng)力不斷增大，煤層的透氣性逐漸減少，同時(shí)巖石強(qiáng)度高、密度大、承載力強(qiáng)，所以初步開采工作難度系數(shù)增大，安全隱患極高。我國之所以要在初步開采工作初步放頂工作中運(yùn)用水力壓裂技術(shù)，是因?yàn)樗梢詫鹘y(tǒng)煤礦開采后造成采空區(qū)大面積懸頂安全隱患解除，通過倒退式壓裂法、整體壓裂方法等方式逐步完成垮落大面積的、懸頂?shù)摹?jiān)硬的、難垮落巖石，保障初步開采工作安全順利的進(jìn)行。

1 水力壓裂技術(shù)

1.1 水力壓裂技術(shù)概念

水泵壓裂技術(shù)的作用原理是：利用地層高壓泵，通過鉆孔孔洞向油層內(nèi)注入具有高粘稠度的壓裂液，當(dāng)壓裂液注入速度大于油層的吸收速度時(shí)，井底油層上會(huì)形成很大的壓力，這種壓力會(huì)促使油層開裂，當(dāng)壓力持續(xù)增大時(shí)，油層縫隙會(huì)逐漸向外圍擴(kuò)展。我國將水力壓裂技術(shù)廣泛使用在石油、煤礦、天然氣開發(fā)等方面。

1.2 水泵壓裂技術(shù)的優(yōu)勢

雖然歐洲國家和中國在水力壓裂技術(shù)使用和推廣過程中都是存在爭議的，認(rèn)為在使用水力壓裂過程中會(huì)造成環(huán)境污染、誘發(fā)微小型地震，但是它確實(shí)增加了各國煤礦開采總量，促進(jìn)了各國煤礦年產(chǎn)量大幅度增長。水力壓裂技術(shù)運(yùn)用到煤礦開采中的優(yōu)勢在于：

其一，可以適應(yīng)質(zhì)地堅(jiān)硬的、難垮落的頂板。其二，滿足長壁式綜合掘機(jī)快速作業(yè)時(shí)頂板及時(shí)垮落的要求。其三，對煤礦開采模式和開采技術(shù)影響比較小。其四，通過鉆孔數(shù)量控制頂板垮落速度的方式比爆破控制頂板垮落的方式更加安全。

1.3 水力壓裂技術(shù)的特點(diǎn)

第一點(diǎn)：技術(shù)比較成熟，是煤礦開采的主要技術(shù)之一。第二點(diǎn)：壓力裂縫屬于單一裂縫，裂縫的方向受地應(yīng)力控制，裂縫長度受鉆孔數(shù)量控制。第三點(diǎn)：水力壓力技術(shù)可以和其他壓裂技術(shù)組合使用，以滿足煤礦開采的實(shí)際需求。

2 水力壓裂技術(shù)在放頂煤工作面初次放頂工作中的運(yùn)用

2.1 實(shí)驗(yàn)煤礦區(qū)域概況

本文將以某井田為實(shí)驗(yàn)區(qū)域?qū)λ毫鸭夹g(shù)在放頂煤工作面初次放頂工作中的運(yùn)用情況進(jìn)行分析。該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡單，地層產(chǎn)狀總體坡度走向?yàn)?50°，傾斜角大約在5°左右。工作總長度為3056m，傾向長度為260m。采用長臂后退式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)性放頂采煤法，全部垮落法管理頂板。放頂煤工作面9#煤層平均厚度為7.3m，推進(jìn)范圍控制在1638內(nèi)，最近檢測平均煤層厚度為5.3m。放頂工作面厚度為13.16m，主要成分是石英石、正長石，是最常見的質(zhì)地堅(jiān)硬的、難垮落的頂板。

2.2 設(shè)計(jì)方案

由于水力壓裂技術(shù)可以控制掘進(jìn)機(jī)采掘后，放頂工作面的垮落速度，盡可能降低頂板整體垮落的危險(xiǎn)性，讓采空區(qū)域頂板可以逐層、分段垮落。該技術(shù)可以有效避免放頂工作面給掘進(jìn)機(jī)施工造成的工期延誤的影響，還可以降低工作面頂板維護(hù)支護(hù)難度。煤礦技術(shù)人員需要根據(jù)頂板巖石層結(jié)構(gòu)來確定水力壓裂鉆孔位置和鉆孔數(shù)量。煤礦開采工程師需要根據(jù)放頂工作面厚度確定使用單井壓裂方法、整體壓裂方法、倒退式壓裂法三種方法其中的那一項(xiàng)，由于實(shí)驗(yàn)礦產(chǎn)區(qū)域放頂工作面是最常見的堅(jiān)硬難垮落頂板，因此需要選擇倒退式壓裂法，以鉆孔深度向鉆口位置移動(dòng)為壓裂原則，從巖石層內(nèi)部逐層向外圍巖石層進(jìn)行壓裂。

2.3 施工前期準(zhǔn)備工作

首先，準(zhǔn)備好水力壓裂技術(shù)所使用的配套設(shè)備，將儲罐、泵車、混砂車、管匯車等運(yùn)輸?shù)矫旱V開采區(qū)域。其次，購買前置壓裂液、攜砂壓裂液、頂替壓裂液，要盡可能選擇穩(wěn)定性高、殘?jiān)?、價(jià)格便宜、摩擦阻力低的壓裂液，以此保障壓裂效果的良好性。最后，購買支撐劑，要保障所購買的支撐劑性能具備強(qiáng)度大、密度小、顆粒均勻、雜質(zhì)少等要求。

2.4 規(guī)范鉆孔施工流程

工作人員需要使用56mm鉆頭進(jìn)行鉆孔，工作人員必須要嚴(yán)格執(zhí)行技術(shù)人員提供的鉆孔施工流程，便于更好的完成壓裂作業(yè)。

2.5 標(biāo)準(zhǔn)水力壓裂技術(shù)

工作人員應(yīng)當(dāng)先使用普通鉆頭對頂板工作面巖層進(jìn)行鉆孔，一旦鉆頭碰到堅(jiān)硬巖石無法繼續(xù)鉆下去時(shí);需要及時(shí)更換特制的鉆頭，利用水力壓裂技術(shù)對巖石層進(jìn)行橫向切槽;當(dāng)橫向切槽完成后，二次使用普通鉆頭進(jìn)行鉆孔，鉆孔一定距離后退出;使用跨式鉆孔器將壓裂液注入放頂煤工作面巖石斷層中，利用手動(dòng)泵向孔洞中注入10MPa左右壓力，在將泵車與注水管向連接，直至壓裂作業(yè)完成。

3 水力壓裂技術(shù)實(shí)踐運(yùn)用效果檢驗(yàn)方法類型

3.1 地質(zhì)雷達(dá)檢測法

地質(zhì)雷達(dá)檢測法作用原理是：在了解直達(dá)訊號發(fā)射時(shí)間和發(fā)射頻率的情況下，通過分析反射訊號的時(shí)間和波速判斷出鉆孔距離和壓裂效果，大體估算出壓裂距離。地質(zhì)雷達(dá)檢測法的優(yōu)勢是：不會(huì)對放頂巖石層孔洞造成影響，探測范圍不受儀器限制。

3.2 孔洞直觀窺視檢測法

直觀窺視檢測法的作用原理是：根據(jù)一定的計(jì)算方式，測量出水力壓裂鉆孔和觀測孔間的距離，一名工作人員需要利用窺視儀近距離觀察觀測孔，當(dāng)水力壓裂鉆孔中持續(xù)注入壓力時(shí)，觀測孔是否會(huì)冒出水柱，根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)大致判斷出壓裂的范圍和壓裂裂縫的走向。這種方法雖然檢測方法便捷，但是觀測范圍受限，得出的結(jié)果精確度不高。

3.3 完整的煤礦壓裂檢測法

完整的煤礦壓裂檢測法作用原理是：對頂板、支撐框架受力情況、巖石層位移距離等進(jìn)行全部檢測，通過分析整體數(shù)據(jù)報(bào)告信息，確定水力壓裂頂板的壓裂效果。這種檢測方法存在明顯的弊端問題：檢驗(yàn)時(shí)間過長、檢測方法落后、檢測難度大。

4 結(jié)束語

總而言之，雖然水力壓裂技術(shù)關(guān)于使用效果和產(chǎn)生后果的爭議從來就沒停止過，但是煤礦企業(yè)想要提高年開采總量，解決傳統(tǒng)初步采集期間頂板巖石垮落安全隱患問題，就必須要使用水力壓裂技術(shù)，通過對設(shè)計(jì)方案、施工流程、前期準(zhǔn)備工作、檢測方法等工序進(jìn)行升級優(yōu)化，來擴(kuò)大煤礦頂板縫隙密度和延展長度、提高煤層的透氣性，削弱巖石頂板垮落造成的地震等級，全面消除生產(chǎn)安全隱患，保證工作人員的生命健康安全不受威脅。

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作者簡介：

范海超（1988- ），男，漢族，河北滄州人。本科學(xué)歷，現(xiàn)工作于陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司一礦，研究方向：主要從事采礦工作。