“鉆-切-壓”定向水力壓裂頂煤弱化技術(shù)應用研究

許紅杰

(1.天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院開采研究分院，北京 100013)

綜放開采技術(shù)已成為我國現(xiàn)階段實現(xiàn)高產(chǎn)高效礦井建設和進行采煤工藝改革的有效途徑，是國有重點煤礦降低成本、實現(xiàn)減人增效的有效方法。然而，厚煤層的綜放開采仍面臨著高含矸率、低回收率的現(xiàn)象。為提高頂煤回收率，國內(nèi)外學者針對頂煤弱化開展了大量的研究實踐工作，試驗了包括深孔炸藥爆破、二氧化碳致裂、產(chǎn)氣劑爆破弱化、水力壓裂等多種頂煤弱化方法。試驗表明，從操作工藝、安全性角度考慮，深孔爆破頂煤弱化技術(shù)是實現(xiàn)難冒煤層高回收率回采的較為有效途徑，該技術(shù)是在工作面頂煤中布置工藝巷或在巷道中開挖鉆場，進行深孔頂煤爆破，達到頂煤弱化的目的。深孔爆破技術(shù)可以滿足高產(chǎn)高效放頂煤工作面對頂煤弱化處理的要求，但該技術(shù)存在成本高、可控性差、放炮過程中易產(chǎn)生大量粉塵，惡化工作面環(huán)境，在高瓦斯礦井中極易引發(fā)瓦斯爆炸等諸多缺點。

近年來，隨著各省份對炸藥管控力度加大及煤礦安全形勢的需要，采用爆破手段進行頂煤弱化的礦區(qū)逐漸減少。在堅硬厚煤層綜放開采礦區(qū)面臨著無炸藥可用、頂煤無弱化手段下回收率低的尷尬境地。因此“鉆-切-壓”定向水力壓裂技術(shù)作為一種綠色、安全的頂煤弱化技術(shù)手段成為了探討的焦點。

目前，國內(nèi)開展的水壓致裂技術(shù)多是單純的鉆孔取桿后在設定的鉆孔封隔段內(nèi)進行壓裂，由于壓裂鉆孔內(nèi)巖石基本處于三軸應力狀態(tài)，在原應力原生裂隙下開展壓裂效果有限。當前國內(nèi)水壓致裂技術(shù)多應用于堅硬頂板的弱化處理、沖擊地壓礦井的卸壓防沖、臨空巷卸壓等領域，由于煤體裂隙的存在，針對水壓致裂頂煤弱化方面的研究少有報道，尤其是通過“鉆-切-壓”手段開展頂煤弱化方面的研究未見報道。論文以神樹畔煤礦為工程背景，利用高壓水射流與水力壓裂相結(jié)合的“鉆-切-壓”一體化水力壓裂技術(shù)，開展了榆神礦區(qū)堅硬頂煤弱化技術(shù)應用研究，并通過直觀窺視、裂隙掃描、回收率統(tǒng)計對頂煤弱化效果進行驗證，以期探討“鉆-切-壓”定向水力壓裂技術(shù)在頂煤弱化中的可行性。

1 工程概況

神樹畔煤礦3107工作面位于3#煤層31盤區(qū)，工作面采用綜采放頂煤開采，煤層埋藏深度152～236m，厚度10.52～11.75m，平均11.39m，煤層傾角平均1°，普氏硬度系數(shù)1.6～3.0。煤層直接頂以泥巖及粉砂質(zhì)泥巖為主，厚6.67～8.38m，平均厚度7.53m，飽水及干燥狀態(tài)下單軸抗壓強度分別為19.8MPa、88.4MPa，基本頂以細粒及中粒砂巖為主，粉砂巖次之，厚9.86～34.93m，平均22.4m，飽水及干燥狀態(tài)下單軸抗壓強度分別28.1MPa、51.4MPa。

工作面采用綜采放頂煤開采工藝，割煤高度4.8m，放煤高度6.59m，設計支架最大支護高度5.0m，選用ZFY17000/27/50D兩柱掩護式綜放支架，支架支護強度1.42～1.47MPa。工作面傾向長度265m，推進長度1756m。

2 “鉆-切-壓”定向水力壓裂技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

“鉆-切-壓”定向水力壓裂技術(shù)是水力壓裂技術(shù)的再優(yōu)化。該技術(shù)融合了高壓水射流自動成縫和高壓水力壓裂的優(yōu)勢，形成了鉆孔、成縫一體化，目標區(qū)域封隔壓裂。

該技術(shù)是在鉆孔施工完畢后，在不退鉆桿的情況下利用高壓水對完整頂煤區(qū)域人為制造楔形槽進行定向壓裂，在高壓水作用下，楔形槽尖端處產(chǎn)生急劇的應力集中，當楔形槽尖端集中應力超過煤體的致裂強度時，煤體將首先在楔形槽尖端致裂，并在水壓的繼續(xù)作用下沿此裂縫擴展延伸，最終與相鄰壓裂孔裂隙貫通，從而在完整頂煤區(qū)域形成弱面，減小分層的厚度，降低煤層的強度和完整性，最終實現(xiàn)頂煤的順利回收。

2.2 施工工藝流程

定向高壓水力致裂工藝流程包括：鉆孔—高壓水切割成縫—封隔壓裂。

1)鉆孔：在回采巷道或工作面內(nèi)利用特制高壓密封鉆桿在目標區(qū)域煤層斜向或垂直進行開孔(視頂煤及頂板垮落情況)，鉆孔直徑為50～75mm。

2)高壓水切割成縫：鉆孔完畢后，在不退出鉆桿的情況下，將鉆桿切換至高壓射流狀態(tài)，調(diào)整高壓泵壓力至30～50MPa，隨著鉆桿的退出，在目標煤層區(qū)域利用射流器進行高壓水切割成縫，切縫時間5～10min，形成初始裂縫。

3)封隔壓裂：割縫完畢后，退出鉆桿，將封隔器緩慢送入鉆孔內(nèi)的割縫位置，封閉裂縫兩端，打開止水閥，進行封隔壓裂。壓裂時間10～20min，根據(jù)水壓的變化情況適當控制壓裂時間。

3 “鉆-切-壓”定向水力壓裂頂煤弱化方案

水力壓裂試驗段在工作面回風巷，總長度為100m，對應工作面推進距離為1481～1581m，共布置10組鉆孔，每組鉆孔間距為10m。

3.1 頂煤壓裂孔

頂煤壓裂孔共計3個鉆孔，分別為A1、A2、A3鉆孔。如圖1所示。鉆孔參數(shù)：A1鉆孔方位角為30°，仰角為10°，鉆孔開孔位置距離巷道底板高度1.8m，A1鉆孔深度為45m，孔徑?60mm，鉆孔終孔位置在煤層與頂板交界位置。傾向方向(垂直巷幫方向)的最遠影響距離為44.3m，影響支架范圍為128#—107#支架；A2鉆孔方位角為90°，仰角為20°，距離A1鉆孔1.0m，鉆孔開孔位置距離巷道底板高度2.2m，A2鉆孔深度為27m，孔徑?60mm，鉆孔終孔位置在煤層與頂板交界位置。A2孔沿工作面傾向方向(垂直巷幫方向)的最遠影響距離為25.4m，影響支架范圍128#—116#支架。A3鉆孔方位角為20°，仰角為20°，距離A1鉆孔5.0m，鉆孔開孔位置距離巷道底板高度2.8m，A3鉆孔深度為31m，孔徑?60mm，鉆孔終孔位置在煤層與頂板交界位置。A2孔沿工作面傾向方向(垂直巷幫方向)的最遠影響距離為25.4m，影響支架范圍128#—116#支架。

圖1 施工方案(m)

壓裂參數(shù)：A1孔和A2孔的孔口封孔段長度分別為14m和3.65m，每隔7.5m首先采用射流器割縫，再每隔3.0m和4.5m用高壓水實施壓裂；A3孔封孔段長度為7.65m，每隔3.0m和4.5m壓裂一次。

3.2 頂板壓裂孔B

鉆孔參數(shù)：鉆孔方位角為30°，沿巷道走向方向；仰角為30°，朝向采空區(qū)方向。鉆孔深度為30m，孔徑?60mm，垂直方向壓裂頂板高度為14.6m。壓裂參數(shù)：孔口封孔段長度為6.65m，每隔3.0m和4.5m壓裂一次。

4 頂煤弱化效果監(jiān)測

4.1 頂煤體裂隙發(fā)育鉆孔窺視

為監(jiān)測水力壓裂效果，采用鉆孔全景窺視儀對鉆孔壓裂前、后孔壁煤巖體裂隙分布情況進行觀測，通過對比分析得出水力壓裂前、后煤巖體裂隙發(fā)育及分布擴展情況，如圖2、圖3所示。

圖2 割縫壓裂前、后頂煤裂隙狀態(tài)

圖3 壓裂、前后裂隙發(fā)育素描

對壓裂前、后的裂隙發(fā)育情況進行統(tǒng)計可知，壓裂前，鉆孔揭露頂煤的完整段比例為67.3%，裂隙發(fā)育段所占比例相對較低；壓裂后，鉆孔揭露頂煤的微小裂隙和明顯裂隙發(fā)育所占比例合計增加了23.5%。由此可見，水力壓裂對于頂煤體裂縫擴展有明顯作用。

4.2 頂煤裂隙發(fā)育狀態(tài)的電磁波CT探測

當采用水力壓裂弱化煤巖體時，由于煤巖地質(zhì)體內(nèi)部構(gòu)造復雜，水壓裂縫擴展形態(tài)及過程存在不確定性。為掌握壓裂鉆孔之間區(qū)域內(nèi)的壓裂效果，采用電磁波CT探測技術(shù)對壓裂前后的煤體進行井下實地探測，對比分析壓裂前、后電磁波在煤體中的衰減特性規(guī)律，判斷水壓裂縫的擴展區(qū)域分布，評價水力壓裂效果。壓裂前、后CT探測結(jié)果如圖4所示。

分析致裂前、后CT掃描成像圖可知，水力壓裂后，鉆孔內(nèi)10～40m鉆孔區(qū)域，電磁波視吸收系數(shù)由3dB/m以下增加至5～10dB/m。壓裂區(qū)域煤體的電磁波視吸收系數(shù)明顯增大，說明水壓裂縫與煤巖體原生裂隙溝通，促使裂隙進一步發(fā)育擴展，表現(xiàn)為煤體內(nèi)裂隙發(fā)育范圍明顯增大，原有裂隙寬度增大。鉆孔8～26m窺視區(qū)域內(nèi)裂隙擴展明顯，電磁波視吸收系數(shù)明顯增加至5～10dB/m，表明電磁波CT掃描結(jié)果與煤體裂隙窺視效果吻合。

根據(jù)電磁波CT掃描裂縫狀態(tài)，得到水力裂縫擴展的素描結(jié)果，如圖5所示。分析可知，水力壓裂后裂縫擴展至兩鉆孔間75%的區(qū)域，擴展裂縫效果明顯。

圖5 CT探測裂隙分布區(qū)域素描

4.3 放煤產(chǎn)量及回收率統(tǒng)計

為驗證頂煤弱化的實際放煤效果，對水壓致裂后機頭及機尾兩端各20個支架區(qū)域頂煤的放煤量進行了對比分析，統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，在水壓致裂弱化區(qū)域機尾段，平均日放煤量3433t，未進行水壓致裂的機頭段，平均日放煤量3243t，水壓致裂區(qū)域頂煤的日放煤量增加190t，提高了5.5個百分點。

同時，對工作面頂煤放出量和頂煤回收率情況進行了實測統(tǒng)計。并與水壓致裂前的爆破弱化進行了對比分析，見表1。

表1 水力壓裂前后不同時期頂煤回收率統(tǒng)計

分析表1可知，“鉆-切-壓”定向水力壓裂頂煤弱化后，工作面頂煤回收率達到72.49%，較水壓致裂前的爆破弱化提高了6.33個百分點。

5 結(jié) 論

1)“鉆-切-壓”定向水力壓裂技術(shù)融合了高壓水射流自動成縫和高壓水力壓裂的優(yōu)勢，形成了鉆孔、成縫一體化，目標區(qū)域封隔壓裂，避免了鉆孔退桿后二次刀具割縫的復雜工藝。

2)“鉆-切-壓”定向水力壓裂對頂煤裂隙的擴張及破裂效果顯著，壓裂后，鉆孔內(nèi)揭露頂煤的微小裂隙和明顯裂隙發(fā)育所占比例增加了23.5%，裂縫擴展貫通范圍達到10m以上。

3)“鉆-切-壓”定向水力壓裂頂煤弱化技術(shù)有效的提高了頂煤的回收率，致裂區(qū)域頂煤回收率得到明顯改善，水壓致裂段頂煤的日放煤量由3243t增至3433t，增加190t，提高5.5%；工作面頂煤回收率由66.16%增加至72.49%，較水壓致裂前提高了6.33%。