堅(jiān)硬頂板定向水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用

馮 烜

(山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院， 山西 太原 030001)

在煤炭開采過程中，堅(jiān)硬頂板指直接位于煤層上方或者位于厚度較薄的直接頂上方厚度較大且堅(jiān)硬的頂板巖層，該巖層強(qiáng)度高、致密、完整性強(qiáng)，在工作面回采過程中不易及時(shí)垮落，會(huì)形成較大的懸頂面積，當(dāng)懸頂長度達(dá)到強(qiáng)度極限斷裂、垮落時(shí)常會(huì)形成颶風(fēng)，對(duì)工作面形成較大的沖擊，嚴(yán)重威脅到工作面人員設(shè)備安全[1-3]. 目前針對(duì)堅(jiān)硬頂板更多地采用預(yù)裂爆破、水壓預(yù)裂的方法進(jìn)行弱化處理。預(yù)裂爆破雖然弱化效果較好，但是施工效率低，存在的安全隱患大；水壓預(yù)裂雖然緩解了預(yù)裂爆破帶來的一些不利影響，但是由于其壓裂鉆孔方向固定，為了保證弱化效果，需要施工工程量較大?；诖耍谒畨侯A(yù)裂基礎(chǔ)上提出了定向水力壓裂技術(shù)進(jìn)行頂板弱化處理[4-5].

1 工程概況

某礦主要開采3-1煤，其中31305綜采工作面位于3-1煤3盤區(qū)，煤層厚度3.5～3.9 m，平均3.8 m. 工作面直接頂為中粒砂巖、粉砂巖和砂質(zhì)泥巖互層，塊狀層理，泥質(zhì)膠結(jié)，厚度12.5～20.2 m，平均15.4 m；基本頂為一層厚度較大的細(xì)粒砂巖，水平層理，鈣質(zhì)膠結(jié)，厚度1.6～45.8 m，平均20.8 m；直接底為砂質(zhì)泥巖，水平層理，厚度3.5～10.5 m，平均5.3 m. 由于基本頂堅(jiān)硬且厚度較大，回采過程中難以及時(shí)垮落，現(xiàn)場表現(xiàn)為周期來壓步距大，來壓強(qiáng)烈，對(duì)工作面安全生產(chǎn)造成了極大的影響。

2 定向水力壓裂技術(shù)原理

定向水力壓裂技術(shù)是針對(duì)堅(jiān)硬巖層沿著固定方向提前進(jìn)行裂縫預(yù)設(shè)，該裂縫不局限于直線，在壓裂巖層可以彎曲，裂縫的方位直接決定了巖層中裂隙的發(fā)展方向，也決定了壓裂效果[6]. 壓裂之后在短時(shí)間內(nèi)向鉆孔中注入高壓水，高壓水會(huì)沿著初始裂縫對(duì)周圍巖體進(jìn)行切割，將鉆孔周圍一定范圍內(nèi)的巖體水壓漲裂成不同形狀的塊體或者分層，壓裂原理見圖1.

圖1 定向水力壓裂原理圖

定向水力壓裂技術(shù)借助高壓水沖擊將堅(jiān)硬頂板進(jìn)行分層或者割裂，破壞巖層完整性，整個(gè)壓裂過程實(shí)際上為高壓集中應(yīng)力的轉(zhuǎn)移和釋放，從巖體內(nèi)部破壞其結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)堅(jiān)硬巖層的弱化。另外，定向鉆孔可以任意彎曲，可以實(shí)現(xiàn)巖層定向、定點(diǎn)、定區(qū)域破壞。在充足水壓作用下，巖層破壞半徑可以達(dá)到10～25 m.

3 定向水力壓裂方案

3.1 鉆孔布置

31305工作面共布置鉆場1個(gè)，位于31305主運(yùn)順槽1聯(lián)巷，設(shè)計(jì)鉆孔3個(gè)，主要解決3-1煤層堅(jiān)硬頂板發(fā)育造成的強(qiáng)礦壓問題。為了不影響正常生產(chǎn)，鉆孔延伸到工作面前方100 m處的頂板位置，鉆孔長度分別為510 m、545 m、590 m，累計(jì)長度1 645 m. 鉆孔采取平均分布法進(jìn)行布置，鉆孔間距71.25 m，鉆孔剖面布置于3-1煤層頂板18 m位置處，壓裂目標(biāo)層位為基本頂細(xì)粒砂巖。設(shè)計(jì)孔徑96 mm，具體布置圖見圖2.

3.2 壓裂施工流程設(shè)計(jì)

該次壓裂采用定向分段水力壓裂技術(shù)，壓裂工藝過程見圖3，其中1#鉆孔分為9段進(jìn)行壓裂，2#鉆孔分為10段進(jìn)行，3#鉆孔分為10段進(jìn)行壓裂，具體施工流程如下：

1) 采用定向鉆機(jī)壓裂施工鉆孔。2) 將分段水力壓裂工具串送入孔內(nèi)指定位置，通過雙封隔器單卡壓裂目標(biāo)層位段。3) 利用高壓壓裂泵向孔內(nèi)注水，實(shí)現(xiàn)封隔器的坐封。4) 持續(xù)增壓，達(dá)到設(shè)定壓力后，節(jié)流器打開，進(jìn)行第一段鉆孔的水力壓裂施工，壓裂施工過程中，高壓壓裂液不斷注入頂板巖層中，促使作用于巖層的水壓力逐漸升高，當(dāng)壓力大于巖層破裂壓力后，巖層的彈性余能以動(dòng)能形式釋放，表現(xiàn)為巖體壓縮破裂、引起振動(dòng)等動(dòng)力現(xiàn)象，促使巖層產(chǎn)生新的裂縫系統(tǒng)，破壞巖層整體完整性，降低其強(qiáng)度。5) 完成第一段壓裂施工后，關(guān)閉壓裂孔口壓裂泵注設(shè)備，進(jìn)行孔口排水卸壓，封隔器自動(dòng)回彈至原有規(guī)格；利用定向鉆機(jī)拖動(dòng)孔口高壓管柱，將封隔器拖動(dòng)至設(shè)計(jì)位置，進(jìn)行第二段壓裂施工。6) 依次完成設(shè)計(jì)施工段的壓裂施工，相鄰壓裂段形成三維立體連續(xù)性巖層裂縫，壓裂施工完成后，通過鉆機(jī)的起拔進(jìn)行壓裂工具串的回收。

圖2 定向壓裂鉆孔布置圖

圖3 定向分段水力壓裂工藝過程圖

4 壓裂效果分析

4.1 礦壓步距分析

實(shí)施定向水力壓裂后，對(duì)31305工作面周期來壓進(jìn)行觀測，選取了10次周期來壓步距與未實(shí)施水力壓裂情況下進(jìn)行對(duì)比，見表1，實(shí)施水力壓裂后工作面周期來壓步距、來壓持續(xù)距離明顯降低。水力壓裂前周期來壓步距平均為19.7 m，水力壓裂后周期來壓步距平均為14.8 m，降低了24.9%；水力壓裂前來壓持續(xù)距離平均為5.6 m，水力壓裂后來壓持續(xù)距離平均為4.6 m，降低了17.9%.

4.2 礦壓強(qiáng)度分析

31305工作面實(shí)施定向水力壓裂前后礦壓顯現(xiàn)見圖4. 由圖4可以看出，對(duì)堅(jiān)硬頂板實(shí)施定向水力壓裂后，工作面礦壓顯現(xiàn)明顯減弱，工作面推進(jìn)160 m范圍內(nèi)未實(shí)施頂板壓裂情況下，支架平均工作阻力為9 946 kN，實(shí)施壓裂后支架平均阻力減小到9 268 kN，減小了6.8%. 證明通過定向水力壓裂對(duì)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行弱化處理效果較好，由巖石內(nèi)部產(chǎn)生裂隙，破壞了巖石的整體完整性，縮短了來壓步距，降低了來壓強(qiáng)度。

表1 31305工作面壓裂前后周期來壓步距變化特征表

圖4 31305工作面壓裂前后支架礦壓顯現(xiàn)特征圖

5 結(jié) 語

針對(duì)某礦31305工作面厚且堅(jiān)硬的頂板條件，布置了3個(gè)定向鉆孔，直接延伸至細(xì)粒砂巖層，采用分段壓裂施工工藝保證壓裂效果。通過對(duì)31305工作面定向水力壓裂前后礦壓觀測可知，實(shí)施壓裂后工作面來壓步距、來壓持續(xù)距離以及礦壓強(qiáng)度都得到了明顯的降低，來壓步距降低了24.9%，來壓持續(xù)距離降低了17.9%，來壓強(qiáng)度降低了6.8%，定向水力壓裂效果顯著。