15112工作面堅硬頂板水力壓裂技術(shù)研究與應(yīng)用

宋 杰

（山西省高平市科興米山煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

1 工程概況

山西高平科興米山煤礦15112工作面位于井田東部，工作面北部為15113準(zhǔn)備工作面，東部為保安煤柱，南部為15111采空區(qū)，西部為15104運輸巷。工作面開采15#煤層，煤層均厚為2.7 m，煤層直接頂和基本頂巖層分別為泥巖和K2灰?guī)r，厚度分別為1.2 m和10 m，煤層基本頂屬于堅硬巖層。工作面傾斜長度145.5 m，走向長度1227 m，采用綜合機械化開采，采高2.4～3 m，平均采高2.7 m，循環(huán)進度0.6 m，采用ZZ6800/19/38型液壓支架支護頂板。由于工作頂板屬于堅硬頂板，為防止工作面回采過程懸頂過長導(dǎo)致出現(xiàn)壓架或礦壓顯現(xiàn)，擬采用水力壓裂技術(shù)對堅硬頂板進行預(yù)裂。

2 水力壓裂裂縫擴展規(guī)律

水力壓裂技術(shù)主要是向鉆孔內(nèi)注入高壓水，當(dāng)孔內(nèi)的注水壓力超出巖體的極限抗拉強度時，鉆孔孔壁會出現(xiàn)破裂，隨著注水流量的增大能夠使得孔內(nèi)起裂裂紋逐漸向遠(yuǎn)處擴展，進而能夠在孔壁周圍形成較大范圍的水力裂隙，水力裂隙的擴展方向與擴展區(qū)域內(nèi)主應(yīng)力的分布形態(tài)有直接關(guān)系[1-3]。為有效分析水力壓裂鉆孔內(nèi)裂紋的擴展規(guī)律，采用UDEC數(shù)值模擬軟件建立巖體模型，在巖體內(nèi)布置環(huán)向分布的均勻偽裂隙，將巖體內(nèi)的偽裂隙設(shè)置為與巖體同等的抗拉強度，高壓水不會通過偽裂隙滲透。偽裂隙參數(shù)見表1。

表1 偽裂隙屬性參數(shù)表

具體本次數(shù)值模擬模型如圖1所示。模型建立后對巖體施加10 MPa的雙軸地應(yīng)力，向水力壓裂鉆孔內(nèi)注入高壓水，首先將水壓保持在一個較低的整數(shù)值，當(dāng)觀測發(fā)現(xiàn)四周裂隙在該壓力無法擴展時進一步加壓至下一個整數(shù)值[4-6]，并繼續(xù)觀測四周裂隙擴展情況。

圖1 數(shù)值模擬模型示意圖

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠看出，鉆孔內(nèi)施工水力壓裂鉆孔后，鉆孔主應(yīng)力的分布特征如圖2所示。分析圖2可知，鉆孔采用水力壓裂方案后，在鉆孔水平A-A方向上的孔壁切應(yīng)力達(dá)到最大值，在鉆孔豎直方向B-B方向上的切應(yīng)力為最小值。據(jù)此可知，當(dāng)進行水力壓裂時，在水力壓裂鉆孔孔壁B-B方向上最容易起裂。

圖2 鉆孔四周應(yīng)力矢量圖

模擬中當(dāng)注水壓力P小于9 MPa時，鉆孔壁在垂直B-B方向上僅能夠產(chǎn)生微小的裂隙，巖體在該水壓下裂隙無法擴展；進一步增大注水壓力，當(dāng)注水壓力達(dá)到9 MPa時，鉆孔周圍形成的水力裂紋的起裂方向為垂直方向，與巖體的σ1平行；當(dāng)注水壓力為10 MPa、注水時間為0.2 ms時，巖體裂紋張開位移量和擴展裂隙及鉆孔壁附近主應(yīng)力分布如圖3。

圖3（a）中垂直軸和水平軸分別表示張拉閉合量和裂隙擴展的距離，從圖中能夠看出裂隙的張開長度約為0.5 m。圖3（b）中線條越粗表示形成的水力裂紋開度越大，從圖中能夠看出水力裂紋的開度隨著距鉆孔孔壁距離的增大而逐漸減小，且在水力裂紋尖端出現(xiàn)了一定的拉應(yīng)力現(xiàn)象。在水力裂紋靠近鉆孔壁端，高壓水充滿水力裂紋且擠壓該區(qū)域的巖石，進而使得該區(qū)域內(nèi)巖石內(nèi)部表現(xiàn)出水平應(yīng)力集中現(xiàn)象，而水力壓裂裂紋會遠(yuǎn)離鉆孔孔壁，高壓水未充滿水力裂隙，即鉆孔壁處裂隙內(nèi)的水壓接近注水壓力，而隨著裂隙的擴展，裂隙內(nèi)的水壓會逐漸減小，當(dāng)高壓水到達(dá)裂隙尖端時，水壓值基本達(dá)到零。

圖3 注水壓力P=10 MPa、T=0.2 ms時鉆孔周圍裂紋及主應(yīng)力分布圖

為分析注水壓力對裂隙擴展速率的影響，通過數(shù)值模擬對比分析不同注水壓力下鉆孔注入壓力和裂隙擴展長度、張開量間的關(guān)系，如圖4。分析圖4可知，當(dāng)注水時間一定時，隨著注水壓力的增大鉆孔周圍裂隙極限擴展長度會逐漸增大，裂隙極限張開位移也會隨著注水壓力的增大而逐漸增大。

3 水力壓裂方案及效果

3.1 水力壓裂方案

根據(jù)15112工作面堅硬頂板的具體特征，結(jié)合水力壓裂裂縫擴展規(guī)律的數(shù)值模擬結(jié)果，設(shè)計水力壓裂分三個階段。第一階段為工作面前方70 m范圍內(nèi)，該范圍水力壓裂鉆孔稱為A、B孔，該階段內(nèi)水力壓裂鉆孔以25 m為一組沿著煤層走向推進方向進行布置。第二階段為工作面前方25 m范圍內(nèi)施工C、D類鉆孔，該類鉆孔主要在工作面前方堅硬頂板制造豎直水力裂紋。當(dāng)工作面回采推進至A、B類鉆孔后，在工作面前方25 m的位置處施工下一組C類和D類鉆孔實施水力壓裂，如此循環(huán)。第三階段：隨著工作面回采作業(yè)的進行，在工作面機巷和風(fēng)巷內(nèi)平行施工G類鉆孔進行水力壓裂。

具體本次水力壓裂方案中的各項參數(shù)如下：

（1）水力壓裂鉆孔布置。15112工作面機巷內(nèi)施工的鉆孔為A類和C類鉆孔，工作面風(fēng)巷內(nèi)施工的為B類和D類鉆孔，在機巷和分巷內(nèi)施工的鉆孔為G類鉆孔。壓裂孔A和壓裂孔B在工作面傾斜方向上對向施工，壓裂孔A和B沿工作面推進方向均勻布置，A、B、C、D鉆孔為一組鉆孔，每組鉆孔間的間隔為25 m。G類鉆孔分為G1長孔和G2短孔，長孔和短孔交錯布置，深度均為5 m，長短孔間的間隔為5 m。具體壓裂參數(shù)及布置方式見表2和圖5。

圖5 水力壓裂鉆孔布置示意圖

表2 水力壓裂鉆孔布置參數(shù)表

（2）水力壓裂工藝。水力壓裂鉆孔施工時，采用鉆頭直徑為56 mm的鉆機鉆進。當(dāng)鉆孔至預(yù)定位置時，退出鉆頭，更換切槽鉆頭，將鉆頭推進至孔底；當(dāng)鉆頭到達(dá)孔底時，將鉆機緩慢推進旋轉(zhuǎn)制造橫向切槽；預(yù)制槽制造完畢后，重新更換為普通鉆頭施工至下一個預(yù)制切槽位置，如此循環(huán)直至鉆孔施工完畢。水力壓裂鉆孔采用封隔膨脹器進行封孔，封孔器可承受的注水壓力為10～12 MPa，水力壓裂時水壓在15～40 MPa范圍內(nèi)，水力壓裂作業(yè)由遠(yuǎn)及近、由外向里施工，壓裂作業(yè)時壓裂孔附近錨桿和錨索孔內(nèi)出水時，必須停止壓裂作業(yè)。

3.2 效果分析

15112工作面回采期間，通過觀測液壓支架在水力壓裂前后的工作阻力分析水力壓裂效果。在工作面推進一個周期來壓步距時，水力壓裂前工作面最大支架工作阻力如圖6（a），水力壓裂后支架工作阻力如圖6（b）。

分析圖6可知，工作面采用水力壓裂方案前，支架的最大工作阻力最大達(dá)到約6900 kN，已超出支架額定阻力，存在壓架的風(fēng)險，且在頂板一個周期來壓步距下支架工作阻力長期處于6500 kN以上，工作阻力富裕系數(shù)較小。當(dāng)工作面采用水力壓裂方案后，頂板一個來壓步距下的最大工作阻力為5400 kN，相較于未采用水力壓裂方案前，降幅達(dá)到21.7%，此時工作面支架均處于正常狀態(tài)，支架工作阻力富裕系數(shù)相對較大。另外圖6（b）可知，工作面水力壓裂方案實施后，基本頂?shù)闹芷趤韷翰骄酁?5.4 m，相較未采用水力壓裂方案的45 m大幅降低。

圖6 工作面水力壓裂方案實施前后支架工作阻力曲線圖

4 結(jié)論

根據(jù)15112工作面堅硬頂板的賦存特征，通過數(shù)值模擬分析水力壓裂裂縫擴展規(guī)律，得出注水壓力與裂隙擴展長度、張開量間的關(guān)系，基于數(shù)值模擬結(jié)果進行工作面水力壓裂方案的具體設(shè)計，根據(jù)壓裂方案實施后的效果分析可知，水力壓裂處理堅硬頂板效果較好。