高壓水力壓裂技術(shù)在綜放工作面初采放頂中的應(yīng)用

尹晉攀

（山西沁和能源集團(tuán)南凹寺煤業(yè)有限公司，山西晉城048000）

0 引 言

在煤礦井下開采中，因受地質(zhì)條件、圍巖應(yīng)力等因素影響，回采工作面在初采期間，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)采空區(qū)和上下隅角頂板懸頂不垮落現(xiàn)象。工作面出現(xiàn)大面積懸頂容易造成瓦斯積聚，工作面頂板大面積垮落時(shí)容易引發(fā)頂板事故、瓦斯超限等礦井災(zāi)害事故[1-2]。為防止工作面初采期間出現(xiàn)采空區(qū)大面積懸頂，煤礦一般采取切巷超前退錨、頂板預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂?shù)却胧鲜龃胧┌踩禂?shù)低、效果差。水力壓裂技術(shù)已在石油、天然氣開采和井下瓦斯抽采等相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，近年來，其在煤礦井下開采中處理堅(jiān)硬頂板不垮落進(jìn)行頂板預(yù)裂方面也得到了較多的推廣應(yīng)用。工作面回采過程中，在超前采動(dòng)壓力影響范圍區(qū)前方，采用高壓水力將工作面堅(jiān)硬的頂板巖層進(jìn)行壓裂破壞，使巖層的整體性和固有強(qiáng)度降低，在工作面推進(jìn)過程中，采空區(qū)頂板能夠?qū)崿F(xiàn)隨采隨落，縮短工作面初次來壓和周期來壓步距，使初次來壓和周期來壓強(qiáng)度降低，削弱了工作面初次來壓和周期來壓對(duì)支架產(chǎn)生的沖擊影響，有利于工作面頂板及煤墻的管理和維護(hù)，提高工作面回采期間的安全系數(shù)[3]。

1 工程概況

常村煤礦井田東西走向長10 km，南北傾斜寬2～4km，井田面積18.37 km2，礦井主采3#煤層，煤層平均厚度5.38m，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力180 萬t/a。礦井采用綜采低位放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板，工作面上下順槽及切眼掘進(jìn)期間均沿煤層頂板施工。工作面直接頂為泥巖-粉砂巖，其中泥巖平均厚度為0.09m，強(qiáng)度為35.42MPa，粉砂巖平均厚度1.8m，強(qiáng)度為78.92MPa。老頂為細(xì)粒砂巖有，平均厚度3.4m，巖層平均強(qiáng)度為98MPa 左右。礦井煤層頂?shù)装鍘r層特征如圖1 所示。

12204 工作面切巷由于頂板巖層堅(jiān)硬且采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，工作面初采期間采空區(qū)頂板不能及時(shí)垮落，工作面回采期間雖然采取了提前對(duì)切巷錨桿、錨索進(jìn)行退錨處理，但頂板垮落的矸石不充分，很難將采空區(qū)填實(shí)，造成工作面回采初采期間采空區(qū)大面積懸頂、瓦斯積聚，工作面上隅角經(jīng)常出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象，給礦井安全生產(chǎn)帶來極大安全隱患。針對(duì)此種情況，提出采用水力壓裂技術(shù)處理工作面采空區(qū)大面積懸頂問題顯得尤為重要。

圖1 礦井煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖

2 工作面地質(zhì)情況分析

12204 工作面位于常村煤礦12 采區(qū)西翼中下部，北鄰12206 工作面采空區(qū)，南鄰礦井未開采區(qū)域，西鄰SF4 斷層，東到礦井工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱。工作面標(biāo)高-392.8 ～-421.3m，地面標(biāo)高+135.8 ～+138.3m。工作面設(shè)計(jì)走向長782m，傾斜寬180m，工作面煤層厚度3.6～6.2m，平均厚度5.1m；工作面煤層傾角5°～10°，平均8°。工作面切眼為矩形斷面，斷面尺寸為8m×3.2m，巷道凈斷面25.6m2。

為分析工作面頂板巖層地質(zhì)情況，在工作面切眼內(nèi)施工窺視鉆孔對(duì)頂板巖層進(jìn)行窺視。以6 號(hào)鉆孔為例進(jìn)行分析，如圖2 所示，鉆孔窺視深度41.6m。從窺視結(jié)果可以看出，工作面頂板在0～1m深度區(qū)域內(nèi)，巖層裂隙較為發(fā)育，深度超過1m 以后區(qū)域裂隙相對(duì)較少。結(jié)合12204 工作面頂板巖層性質(zhì)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，研究決定利用水力壓裂技術(shù)來處理工作面頂板不及時(shí)垮落問題。

圖2 12204 工作面切眼6 號(hào)鉆孔窺視圖（鉆孔深度/m）

3 水力壓裂方案設(shè)計(jì)

3.1 技術(shù)原理

水力壓裂技術(shù)是在頂板中完成普通鉆孔施工后，利用特殊的開槽鉆頭進(jìn)入鉆孔末端施工橫向切槽，然后對(duì)切槽段進(jìn)行注漿封孔，封孔完成后采用高壓泵向切槽內(nèi)注入高壓水，利用水的高壓切應(yīng)力在切槽端部產(chǎn)生裂縫并在巖層中逐漸擴(kuò)展延伸，增大巖層裂縫，將完成的頂板巖層分割成多層，進(jìn)而破壞頂板巖層的完整性，降低巖層整體強(qiáng)度。工作面在推進(jìn)過程中，隨著采動(dòng)動(dòng)壓和頂板圍巖應(yīng)力等綜合因素影響，工作面頂板巖層由整體一次性垮落變化為依次分層垮落，縮短工作面初次來壓和周期來壓步距，降低來壓強(qiáng)度，從而達(dá)到降低或消除工作面大面積頂板垮落帶來的危害的目的[4]，確保工作面安全順利回采。

3.2 技術(shù)參數(shù)選取

根據(jù)12204 工作面切眼掘進(jìn)及支護(hù)方式并結(jié)合工作面煤巖層綜合柱狀圖等相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，以此來分析工作面頂板巖層的移動(dòng)狀態(tài)，確定工作面頂板上部基本頂巖層回轉(zhuǎn)變形破斷巖梁的位置。

利用公式（1）計(jì)算基本頂進(jìn)入裂隙帶巖層的厚度：

式中：hi為自下而上第i層基本頂巖層的厚度，m；hi'為自下而上第i層基本頂分層巖層的厚度，m；hm為工作面采高，m；Ki為基本頂巖層巖石碎脹系數(shù)，1.15～1.33，取1.25；Kz為直接頂巖層巖石碎脹系數(shù)，1.33～1.50，取1.45；h為工作面直接頂巖層厚度，m。

將12204 工作面的有關(guān)數(shù)據(jù)代入到公式（1）中，計(jì)算可得知，工作面第3 層基本頂粉砂巖巖層裂隙帶巖層，厚度為12.62m，其下方的巖層為工作面頂板冒落帶巖層。根據(jù)以上計(jì)算分析結(jié)果可知，為達(dá)到預(yù)期頂板水力預(yù)裂效果，水力壓裂鉆孔的垂深至少應(yīng)達(dá)到工作面第3 層基本頂粉砂巖巖層以上位置。

3.3 壓裂鉆孔設(shè)計(jì)

12204 工作面切眼凈斷面尺寸為寬8m，高3.2m，傾斜長180m,為保證高壓水力對(duì)工作面頂板巖層的壓裂效果，綜合工作面巖層地質(zhì)情況及理論計(jì)算分析結(jié)果，確定工作面水力壓裂鉆孔深度為40m，以工作面切眼中心線為基線，每排布置2 個(gè)鉆孔（如圖3 所示）。

工作面煤墻幫鉆孔開孔位置在巷道頂部距煤墻幫1.5～2.0m，傾角45°～55°，孔深40m，鉆孔直徑φ75mm。老塘側(cè)鉆孔開孔位置在巷道頂部距老塘側(cè)幫部2.0～2.5m，傾角70°～80°，孔深40m，鉆孔直徑φ75mm。鉆孔排距20m，切眼內(nèi)共計(jì)施工16個(gè)鉆孔。

圖3 12204 工作面切眼水力壓裂鉆孔布置示意圖

3.4 施工方案

3.4.1 鉆孔施工方案

施工壓裂鉆孔時(shí)采用ZYJ-1250 型框架式液壓鉆機(jī)，采用φ75mm 的鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)。鉆孔施工位置應(yīng)選擇在巷道頂板支護(hù)相對(duì)較好、頂板巖層較為完整的地段進(jìn)行開孔。施工時(shí)先利用φ75mm 的普通鉆頭進(jìn)行施工，在施工深度到達(dá)預(yù)設(shè)的開槽位置時(shí)，將普通鉆頭更換為開槽鉆頭進(jìn)行鉆孔開槽。開槽結(jié)束后將鉆頭更換成普通鉆頭繼續(xù)施工，當(dāng)鉆進(jìn)至下一個(gè)設(shè)計(jì)的開槽位置時(shí)更換開槽鉆頭進(jìn)行開槽施工，按照由下向上的順序直至鉆進(jìn)到設(shè)計(jì)的鉆孔深度為止。

3.4.2 水力壓裂施工工藝

鉆孔施工完成以后，對(duì)鉆孔進(jìn)行封孔，連接好高壓注水系統(tǒng)后利用高壓水對(duì)頂板巖層進(jìn)行水力壓裂分割。

1）封孔。封孔工序及系統(tǒng)安裝連接如圖4 所示。

圖4 壓裂鉆孔封孔系統(tǒng)連接示意圖

2）鉆孔高壓水力壓裂。安裝高壓注水系統(tǒng)的工序如圖5 所示。

圖5 高壓注水系統(tǒng)系統(tǒng)連接安裝示意圖

4 井下現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 高壓水力壓裂壓力變化情況監(jiān)測(cè)

在12204 工作面切眼實(shí)施高壓水力壓裂試驗(yàn)時(shí)，對(duì)高壓注水泵的壓力變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為分析診斷壓裂效果提高參考依據(jù)。高壓泵壓力實(shí)施注水過程中壓力變化情況如圖6 所示。

圖6 高壓注水壓力變化曲線圖

由圖6 可知，由于受地質(zhì)條件和巖層性質(zhì)不同的影響，有些巖層在受高壓水力作用下裂縫開始起裂后，壓力曲線表現(xiàn)為非常緊湊的鋸齒狀，說明巖層裂縫在延展過程中每次開裂的幅度較??；有些裂縫在壓裂過程中，因巖層厚度的不均勻性或是由于巖層的滲透性不同，高壓泵站的注水壓力出現(xiàn)有升有降的變化，壓裂曲線呈現(xiàn)波浪形變化。同時(shí)，由于部分巖層存在構(gòu)造面或是原生裂隙，在進(jìn)行高壓注水壓裂試驗(yàn)中，泵站壓力有時(shí)會(huì)出現(xiàn)劇烈變化。

4.2 試驗(yàn)效果分析

常村煤礦曾委托中國礦業(yè)大學(xué)對(duì)12201 工作面礦壓變化情況進(jìn)行觀測(cè)分析。觀測(cè)分析結(jié)果為，工作面直接頂初次來壓步距為18.5m，來壓情況表現(xiàn)為工作面上下兩端來壓較為緩慢，中間頂板來壓表現(xiàn)較為強(qiáng)烈。老頂初次來壓垮落步距為48.6m，工作面老頂初次來壓期間，支架工作阻力有70%以上處在4 500～5 500kN，最大的達(dá)到6 000kN，工作面煤墻出現(xiàn)片幫嚴(yán)重現(xiàn)象。

12204 工作面頂板巖層在采用水力壓裂后，工作面開始回采向前推進(jìn)2.4m 時(shí)，直接頂開始出現(xiàn)垮落，在推進(jìn)4.8m 后，直接頂全部垮落，在推進(jìn)至12m 時(shí)，工作面老頂全部垮落，由此可知工作面初次垮落來壓步距為12m。老頂初次來壓期間，工作面煤墻完整性較好，只有局部出現(xiàn)少量片幫。初次來壓期間，支架工作阻力在3 800～4 500kN，平均4 150kN，為支架額定工作阻力的64.8%；最大工作阻力為5 575kN，是支架額定工作阻力的87.11%；最小工作阻力為125kN，為額定工作阻力的1.95%。與12201 工作面初次來壓相比，12204 工作面初次來壓步距減小36.6m，表明水力壓裂技術(shù)可以有效緩解頂板壓力，保證初采安全。

5 結(jié) 論

通過理論分析和井下現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐表明，在工作面初采期間遇堅(jiān)硬頂板巖層難以垮落時(shí)，運(yùn)用高壓水力壓裂技術(shù)，能夠有效地將工作面頂板上部堅(jiān)硬的巖層進(jìn)行切割、分層壓裂，破壞巖層的整體性，使巖層固有硬度系數(shù)降低，工作面在回采過程中，頂板巖層由整體一次性垮落變化為依次分層垮落，縮短工作面初次來壓和周期來壓步距，降低來壓強(qiáng)度，從而達(dá)到降低或消除工作面大面積頂板垮落帶來的危害的目的，確保工作面安全順利回采。