高壓水力壓裂技術(shù)在綜放工作面初采放頂中的應(yīng)用

張銀虎

(汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)，山西 孝義 032300)

水力壓裂是指在頂板當(dāng)中進(jìn)行普通鉆孔，然后借助特制開槽鉆頭從鉆孔的末端開始沿橫向進(jìn)行切槽，并對其實施注漿封閉，利用高壓泵為切槽注水，充分利用注水時產(chǎn)生的高壓力使切縫的端部產(chǎn)生若干裂縫，同時在巖層當(dāng)中不斷擴展和延伸，使巖層裂縫明顯增大，使頂板巖層被分割成若干層，破壞頂板整體性，減小整體強度。在不斷推進(jìn)工作面時，伴隨采動動壓與頂板圍巖應(yīng)力持續(xù)影響，頂板巖層從一次性垮落向分層垮落過渡，在減小初次來壓的同時，避免大面積垮落造成的威脅與危害，從而使工作面回采得以安全且順利的完成。

1 工程概況

某煤礦東西方向總長約10 km，南北方向傾斜寬度為2 km～4 km，總面積為18.4 km2，其主采煤層為3號煤層，層厚5.38 m，開采方式為綜采低位放頂，頂板管理方法為全部垮落法，在順槽與切眼掘進(jìn)過程中都沿著煤層頂板進(jìn)行施工。礦井工作面的直接頂是泥巖和粉砂巖，泥巖厚度只有9 cm左右，強度約35.42 MPa；粉砂巖的厚度可達(dá)1.8 m，強度約78.92 MPa。老頂以細(xì)粒砂巖為主，其厚度約為3.4 m，強度可以達(dá)到98 MPa。

工作面切巷因頂板巖層較為堅硬，而且支護(hù)措施采用錨網(wǎng)和錨索相聯(lián)合的方式，在初采過程中采空區(qū)頂板無法及時垮落，回采過程中雖然進(jìn)行了提前退錨，但頂板處垮落的矸石并不充分，難以填滿采空區(qū)，導(dǎo)致回采初期采空區(qū)發(fā)生大面積懸頂或瓦斯大量聚集，在工作面的上隅角處時常產(chǎn)生瓦斯超限的情況，這會給礦井的安全生產(chǎn)造成很大安全隱患。對于這種實際情況，通過合理引用水利壓裂技術(shù)能有效解決。

2 方案設(shè)計

2.1 參數(shù)選取

以工作面的支護(hù)方式切眼掘進(jìn)情況為依據(jù)，結(jié)合現(xiàn)有的相關(guān)數(shù)據(jù)實施計算，以此確定頂板巖層實際移動情況，對于基本頂進(jìn)入到裂隙帶巖層中的厚度，可采用公式(1)通過計算確定。

(1)

將工作面的各項數(shù)據(jù)代入式(1)中，經(jīng)計算可得為了達(dá)到理想的預(yù)裂效果，鉆孔垂直方向深度需要達(dá)到第三層基本頂以上[1]。

2.2 鉆孔設(shè)計

切眼的長、寬、高分別為180 m、8 m和3.2 m，為了使動作面頂板有良好的壓裂效果，根據(jù)巖層地質(zhì)條件與相關(guān)理論計算分析，將鉆孔的深度確定為40 m，將切眼的中心線作為工作面的基線，在每排分別布置2個鉆孔。

煤幫鉆孔的具體位置為巷道頂部和煤幫之間保持1.5 m～2.0 m的間距，保持45°～55°的傾角，鉆孔深度按照40 m控制，鉆孔的直徑確定為75 mm。對于老塘側(cè)的鉆孔具體位置，為巷道頂部和老塘側(cè)幫之間的距離為2.0 m～2.5 m，保持70°～80°的傾角，鉆孔深度同樣按照40 m控制，鉆孔的直徑也確定為75 mm。相鄰兩排鉆孔之間的距離為20 m，在切眼當(dāng)中共布置16個孔[2]。

3 方案實施

3.1 鉆孔

在壓裂鉆孔施工過程中，鉆機采用液壓鉆機，其型號為ZYJ-1250，鉆頭直徑為75 mm。具體的鉆孔位置為巷道頂板支護(hù)較為良好且頂板巖層相對完整處。在施工開始后，先使用普通鉆頭施工，在其深度達(dá)到設(shè)計要求的開槽處以后，采用特制的開槽鉆頭實施開采。在開槽完成后，再換回普通鉆頭，在連續(xù)鉆進(jìn)到下一個要求的開槽位置后，再次更換特殊的開槽鉆頭，以從下到上的順序連續(xù)鉆進(jìn)，直到實際的鉆孔深度達(dá)到設(shè)計要求[3]。

3.2 水力壓裂

在鉆孔施工結(jié)束且經(jīng)檢查確認(rèn)合格后，盡快將其封孔，并連接壓力注水系統(tǒng)，準(zhǔn)備借助高壓水為頂板巖層實施壓裂分割。封孔的施工工序和系統(tǒng)安裝連接見圖1，注水系統(tǒng)的連接和安裝見圖2。

圖1 封孔施工工序與系統(tǒng)安裝連接

圖2 注水系統(tǒng)連接與安裝

4 井下試驗

為工作面進(jìn)行壓裂試驗的過程中，需對注水泵實際壓力發(fā)生的變化進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，以此為壓裂效果的綜合分析及診斷提供可靠的參考依據(jù)。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可知，因受到地質(zhì)條件與巖層性質(zhì)等因素的影響，部分巖層在高壓水持續(xù)作用下產(chǎn)生裂縫，壓力曲線呈緊湊鋸齒狀，這說明裂縫在不斷延展時開裂的幅度并不大；部分裂縫在不斷壓裂時，由于巖層厚度存在一定不均勻性，或因為不同巖層的滲透性有所不同，注水壓力發(fā)生升降變化，使壓力曲線呈一條波浪線。另外，因部分巖層中存在原生裂縫或者是構(gòu)造面，所以在注水壓裂過程中，泵站感受到的壓力會產(chǎn)生幅度很大的變化[4]。

通過對礦壓變化實施的觀測發(fā)現(xiàn)，直接頂?shù)某醮蝸韷翰骄酁?8.5 m，上、下兩端的來壓相對緩慢，而中間部分的來壓則比較強烈。老頂?shù)某醮蝸韷翰骄酁?8.6 m，在其初次來壓時間范圍內(nèi)，支架的實際工作阻力有超過七成達(dá)到4 500 kN～5 500 kN，局部最大阻力可以達(dá)到6 000 kN，片幫現(xiàn)象比較嚴(yán)重。

對頂板巖層實施水力壓裂之后，回采推進(jìn)達(dá)到2.4 m后就開始了頂板垮落，推進(jìn)距離達(dá)到4.8 m后，整個直接頂垮落，推進(jìn)達(dá)到12 m后，整個老頂垮落，可以看出初次垮落來壓步距為12 m。在老頂初次來壓過程中，兩幫的完整性良好，僅有一小部分產(chǎn)生片幫。在初次來壓過程中，支架的阻力保持在3 800 kN～4 500 kN范圍內(nèi)，平均阻力值為4 150 kN，只有其額定阻力值的65%左右；工作阻力的最大值為5 575 kN，可以達(dá)到額定阻力值的87%左右，而工作阻力的最小值只有125 kN，不足額定阻力值的2%。相較于其他工作面，采用該技術(shù)的工作面，其初次來壓步距可以減小近37 m，說明這項技術(shù)的應(yīng)用能有效緩解頂板承受的壓力，使初采始終保持安全穩(wěn)定的狀態(tài)[5]。

5 結(jié)語

綜上所述，根據(jù)理論分析與井下實踐，當(dāng)初采過程中遇到堅硬的巖層無法全部垮落時，通過對高壓水壓裂的合理應(yīng)用，能對頂板上覆巖層實施切割與壓裂，使巖層整體性被破壞，減小其硬度系數(shù)，以此在回采時能順利完成垮落，減小初次來壓及周期，將大面積垮落造成的安全威脅及危害均降至最低，保證回采安全。