堅(jiān)硬頂板超前區(qū)域治理技術(shù)在神東布爾臺(tái)煤礦的應(yīng)用

楊俊哲 ，王振榮 ，呂情緒 ，楊 森 ，李 果 ，鄭凱歌

(1.國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)公司，陜西 榆林 719315；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

堅(jiān)硬頂板是指上覆于煤層或煤層直接頂上方、厚度較大、節(jié)理發(fā)育差、巖石強(qiáng)度大的巖層，由于這類(lèi)頂板在工作面回采之后不容易自然垮落，會(huì)形成采空區(qū)大面積懸頂，造成工作面超前應(yīng)力集中，引起片幫、壓架、底鼓等問(wèn)題[1-5]。隨著工作面的開(kāi)采，懸頂面積達(dá)到一定程度時(shí)，堅(jiān)硬頂板的受力超出強(qiáng)度極限后會(huì)發(fā)生大面積垮落，積聚在頂板內(nèi)的能量快速釋放，增大了來(lái)壓強(qiáng)度，使工作面和兩巷道的支護(hù)結(jié)構(gòu)大面積破壞，易引發(fā)沖擊地壓、采空區(qū)颶風(fēng)等重大礦井動(dòng)力災(zāi)害，造成設(shè)備的嚴(yán)重受損和人員的重大傷亡，嚴(yán)重制約煤礦的安全高效生產(chǎn)[6-10]。

針對(duì)堅(jiān)硬頂板礦壓顯現(xiàn)機(jī)理的研究，相應(yīng)的治理方法發(fā)展迅速，主要是通過(guò)頂板弱化技術(shù)縮短堅(jiān)硬頂板來(lái)壓步距，降低工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度，目前比較常用的有爆破弱化和水力壓裂弱化等技術(shù)和工藝。爆破弱化技術(shù)是使用炸藥爆破的方法將煤層上方堅(jiān)硬頂板炸裂，以此來(lái)破壞堅(jiān)硬頂板巖體的整體性，從而使堅(jiān)硬頂板能及時(shí)垮落的技術(shù)[11-14]。水力壓裂技術(shù)是使用高壓泵組將高壓流體以大排量注入到提前布置的鉆孔內(nèi)并產(chǎn)生高壓，當(dāng)流體壓力大于巖石破裂壓力后，鉆孔周?chē)鷰r石即發(fā)生破裂，產(chǎn)生人工裂縫，以此來(lái)達(dá)到弱化巖體的目的。

相對(duì)于爆破弱化頂板的方法，水力壓裂治理堅(jiān)硬頂板存在無(wú)需炸藥、無(wú)有害氣體等優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入研究。閆少宏等[15]通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了人工切槽后高壓注水可以使得巖石破裂，使堅(jiān)硬基本頂分層，降低頂板來(lái)壓強(qiáng)度。鄧廣哲等[16]采用地應(yīng)力場(chǎng)控制下水壓致裂的方法，研究了水壓裂縫擴(kuò)展行為的控制參數(shù)，建立了起始滲透壓力和最大破壞壓力與煤樣裂縫擴(kuò)展變化過(guò)程的對(duì)應(yīng)關(guān)系。黃炳香等[17]認(rèn)為，煤巖體水力壓裂是通過(guò)主裂縫擴(kuò)展、翼型分支裂縫擴(kuò)展和吸水濕潤(rùn)3 種作用來(lái)達(dá)到煤巖體結(jié)構(gòu)改造、強(qiáng)度弱化等工程目的。馮彥軍等[18]進(jìn)行定向水力壓裂控制煤礦堅(jiān)硬難垮頂板井下試驗(yàn)。通過(guò)在壓裂孔兩側(cè)布置監(jiān)測(cè)孔和在壓裂過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泵壓變化，深入分析煤礦堅(jiān)硬難垮頂板水力壓裂特點(diǎn)。

其中，定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展的熱點(diǎn)[19]，依靠定向鉆井技術(shù)在頂板內(nèi)鉆進(jìn)至工作面上部幾百米深處，通過(guò)分段壓裂，在頂板大范圍內(nèi)造出裂縫網(wǎng)絡(luò)，破壞頂板的完整性[18]。同時(shí)，巖石中形成裂縫網(wǎng)絡(luò)后，由于水力壓裂的持續(xù)性，裂縫還會(huì)進(jìn)一步生成次生裂縫，進(jìn)而增加了裂縫系統(tǒng)的復(fù)雜程度，更多的壓裂液進(jìn)入到頂板內(nèi)部進(jìn)一步弱化了頂板的強(qiáng)度，減少大面積懸頂?shù)某霈F(xiàn)，保證了工作面的安全回采[20-22]，目前，定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂技術(shù)在山西寺家莊[23]，陜西黃陵[24]、韓城[25-26]等煤礦取得了較好的壓裂效果。楊俊哲等[27-30]采用理論分析、裝備研發(fā)、技術(shù)開(kāi)發(fā)、工程實(shí)踐等方法，系統(tǒng)研究了厚煤層綜放開(kāi)采、堅(jiān)硬頂板發(fā)育、上覆遺留煤柱、淺埋特厚硬煤層過(guò)溝谷開(kāi)采的覆巖運(yùn)動(dòng)特征、動(dòng)靜疊加載荷作用下動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生原理，提出了堅(jiān)硬頂板多點(diǎn)拖動(dòng)式分段水力壓裂防治方法，并在神東上灣[28]、石圪臺(tái)[29]、布爾臺(tái)[30-31]煤礦等典型工作面開(kāi)展了工程應(yīng)用，取得了較好的效果，驗(yàn)證了頂板分段水力壓裂弱化技術(shù)的有效性。

可以看到，目前定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂技術(shù)已經(jīng)作為一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)有效的煤礦堅(jiān)硬頂板控制治理技術(shù)，并且已經(jīng)得到了廣泛的推廣應(yīng)用。但是，在壓裂工藝、裂縫尺度設(shè)計(jì)等方面的研究較少，鮮有可以借鑒使用的研究成果。

基于以上背景，本文以神東煤礦區(qū)布爾臺(tái)煤礦為例，通過(guò)理論計(jì)算、壓裂裂縫監(jiān)測(cè)、壓裂效果評(píng)價(jià)等手段，闡述了定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂治理堅(jiān)硬頂板的設(shè)計(jì)原則、計(jì)算方法和工程布置，分析評(píng)價(jià)定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂技術(shù)在布爾臺(tái)煤礦治理堅(jiān)硬頂板中的治理效果，以期為類(lèi)似地質(zhì)條件下工程實(shí)踐應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 定向長(zhǎng)鉆孔分段壓裂工藝

定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂工藝是在煤層中開(kāi)孔后斜向上鉆至頂板目標(biāo)層位，而后水平鉆進(jìn)至目標(biāo)位置，壓裂工藝采用雙封單卡多點(diǎn)拖動(dòng)式頂板分段水力壓裂技術(shù)，其工作原理為壓裂工具串送入鉆孔設(shè)計(jì)位置后，開(kāi)啟壓裂泵組，在壓裂工具串內(nèi)注入壓裂液，當(dāng)壓裂液壓力達(dá)到3 MPa 時(shí)封隔器即可實(shí)現(xiàn)完全坐封，當(dāng)壓力達(dá)到5 MPa 時(shí)，限流器即打開(kāi)，開(kāi)始?jí)毫咽┕?圖1a)。當(dāng)完成第一段壓裂施工后，關(guān)閉高壓泵組，孔口進(jìn)行排水卸壓，封隔器自動(dòng)回彈至原有尺寸。利用定向鉆機(jī)拖動(dòng)孔口高壓管柱，將封隔器拖動(dòng)至下一壓裂段位，繼續(xù)進(jìn)行下一段壓裂施工，依次完成所有壓裂段的壓裂施工(圖1b)。該工藝相鄰壓裂段之間會(huì)形成三維立體裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)煤層堅(jiān)硬頂板的有效弱化。

圖1 多點(diǎn)拖動(dòng)分段壓裂Fig.1 Multi-stage fracturing operation

2 堅(jiān)硬頂板強(qiáng)礦壓區(qū)域治理

2.1 研究區(qū)概況

神東礦區(qū)布爾臺(tái)煤礦煤層埋深370～475 m，其中4?2煤為主采煤層，4?2煤42108 工作面寬度310 m，直接頂為灰色砂質(zhì)泥巖，含少量煤屑，厚度3～19 m，平均12 m(表1)?；卷敒榛野咨駥蛹?xì)粒砂巖，以石英長(zhǎng)石為主，含炭屑及暗色巖屑，泥質(zhì)膠結(jié)，厚度7～38 m，平均22 m，具有強(qiáng)度高、厚度大、整體性強(qiáng)、自承能力強(qiáng)等特點(diǎn)。相鄰工作面回采過(guò)程中，工作面一次見(jiàn)方(回采距離為工作面寬度)、二次見(jiàn)方(回采距離為工作面寬度的2 倍)位置、埋深大于400 m 區(qū)域和上覆煤層遺留保護(hù)煤柱處，基本頂整體懸頂區(qū)域較大，無(wú)法及時(shí)發(fā)生垮落，造成煤層頂板掉渣、下沉現(xiàn)象頻發(fā)，煤幫鼓和底鼓較大，超前支架拉架困難。所以對(duì)42108 工作面頂板必須采取必要的措施進(jìn)行治理，從而保證工作面的安全回采。

表1 布爾臺(tái)煤礦4?2 煤層頂?shù)装逄卣鱐able 1 Rock character of coal roofs at Buertai Coal Mine

2.2 水力壓裂鉆孔布置及裂縫尺寸設(shè)計(jì)

利用關(guān)鍵層判識(shí)理論，識(shí)別治理區(qū)域關(guān)鍵層位置。針對(duì)中、低位關(guān)鍵層，通過(guò)超前弱化，促使頂板巖層在采動(dòng)效應(yīng)下發(fā)生垮落后充滿采空區(qū)，對(duì)上覆巖層形成有效支撐，減弱或消除上覆動(dòng)載荷效應(yīng)。所以42108工作面的壓裂目標(biāo)層位確定為4?2煤層頂板細(xì)粒砂巖中部，即煤層上方30 m 處。

為了使壓裂改造區(qū)域盡可能覆蓋整個(gè)工作面，布孔方式選擇為沿工作面走向布置定向鉆孔。開(kāi)孔位置在工作面兩巷道，向上斜鉆至基本頂，而后與工作面平行水平鉆進(jìn)至指定位置，鉆孔長(zhǎng)度依據(jù)定向鉆機(jī)性能及鉆場(chǎng)布置情況確定。同一位置鉆孔布置數(shù)量由水力壓裂裂縫長(zhǎng)度決定，42108 工作面寬310 m，為了避免裂縫擴(kuò)展受到錨桿錨索影響，裂縫尖端離兩巷道保持30 m 安全距離，而后在剩余的250 m 范圍內(nèi)均勻布置鉆孔。若布置2 個(gè)鉆孔覆蓋整個(gè)工作面，每孔水力壓裂裂縫半長(zhǎng)需達(dá)到62.5 m。若布置3 個(gè)鉆孔覆蓋42108 工作面，每孔水力壓裂裂縫半長(zhǎng)需達(dá)到41.6 m。

3 定向長(zhǎng)鉆孔分段壓裂

3.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

基于42108 工作面堅(jiān)硬頂板巖石力學(xué)特性(表2)，選用Arash Nasirisavadkouhi[31]擬三維裂縫模型計(jì)算裂縫半長(zhǎng)。該模型假設(shè)：壓裂裂縫最大縫高恒定，縫端部閉合圓滑，最小地應(yīng)力在垂向上分布均勻，裂縫是以橢圓形狀延伸擴(kuò)展(圖2)。

表2 布爾臺(tái)煤礦42108 工作面水力壓裂基礎(chǔ)參數(shù)Table 2 Basic parameters of hydraulic fracturing at Buertai 42108 working face

圖2 擬三維模型裂縫形態(tài)Fig.2 Schematic diagram of pseudo three-dimensional model cracks

裂縫半長(zhǎng)、裂縫密度及孔底靜壓力計(jì)算方法如下：

式中：R為裂縫半長(zhǎng)，m；G為剪切模量，GPa；Q為壓裂泵排量，m3/min；W0為裂縫寬度，m；pw為孔底靜壓力，MPa；μ為壓裂液黏度，10?3mPa·s；t為時(shí)間，min；ν為泊松比，無(wú)因次；σmin為最小地應(yīng)力，MPa；rw為壓裂鉆孔半徑，m。

使用擬三維模型計(jì)算布爾臺(tái)煤礦42108 工作面堅(jiān)硬頂板水力壓裂過(guò)程中裂縫的擴(kuò)展動(dòng)態(tài)，如圖3 所示，可以發(fā)現(xiàn)，裂縫形成初期單位時(shí)間內(nèi)裂縫擴(kuò)展的距離較大，隨著壓裂持續(xù)，裂縫擴(kuò)展逐步變慢，單位時(shí)間內(nèi)裂縫擴(kuò)展距離變?。浑S著壓裂時(shí)間增加，裂縫半長(zhǎng)不斷增大，但增長(zhǎng)速度隨壓裂時(shí)間呈逐漸降低的趨勢(shì)；隨著高壓泵注入流速的增大，裂縫半長(zhǎng)不斷增加，且增長(zhǎng)速度隨注入流速的增大逐步降低。根據(jù)這2 種變化趨勢(shì)，施工方案中壓裂時(shí)間和注入流速的確定并不是越大越好，本文結(jié)合實(shí)際的設(shè)備能力和施工實(shí)際，注入流速最大選取1 m3/min，壓裂時(shí)間控制在60 min 以?xún)?nèi)。

圖3 壓裂時(shí)間和注入流速對(duì)裂縫半長(zhǎng)的影響Fig.3 Influence of injection time and injection rate on crack length

3.2 分段壓裂施工

基于區(qū)域整體治理思想對(duì)布爾臺(tái)煤礦42108 工作面堅(jiān)硬頂板進(jìn)行水力壓裂弱化治理，依據(jù)擬三維模型計(jì)算結(jié)果，在現(xiàn)有裝備條件下裂縫半長(zhǎng)小于60 m(圖3)，所以同一鉆場(chǎng)需沿走向布置3 個(gè)鉆孔才能保證治理區(qū)域?qū)φ麄€(gè)工作面的全覆蓋。

根據(jù)布孔原則對(duì)42108 工作面一次見(jiàn)方位置、二次見(jiàn)方位置、初采和煤層埋深大于400 m 區(qū)域等易發(fā)生強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的區(qū)域制定鉆孔布置方案：共布置鉆場(chǎng)8 個(gè)，每個(gè)鉆場(chǎng)平行布置3 個(gè)鉆孔，單孔長(zhǎng)度330～705 m，單孔設(shè)計(jì)壓裂5～15 段(圖4)，壓裂層位為煤層上方基本頂細(xì)粒砂巖。

圖4 布爾臺(tái)42108 工作面壓裂鉆孔平面分布Fig.4 Plane distribution of fracturing boreholes in Buertai 42108 working face

基于擬三維裂縫模型計(jì)算結(jié)果，應(yīng)用相關(guān)參數(shù)指導(dǎo)水力壓裂施工，現(xiàn)場(chǎng)使用壓裂泵組排量為0.8 m3/min，為保證水力壓裂裂縫長(zhǎng)度大于41.6 m，每段水力壓裂施工高壓泵組運(yùn)行時(shí)間不少于30 min(圖3)。

為了驗(yàn)證水力壓裂施工效果，對(duì)布爾臺(tái)煤礦42108工作面中的其中1 個(gè)鉆孔進(jìn)行孔內(nèi)瞬變電磁測(cè)試。瞬變電磁法探測(cè)具有低阻敏感的特性，在煤礦井下含水、導(dǎo)水地質(zhì)異常探測(cè)有廣泛應(yīng)用[32]。在該孔壓裂前后各進(jìn)行1 次孔內(nèi)瞬變電磁測(cè)試(圖5)，對(duì)比壓裂前后2 次瞬變電磁測(cè)試結(jié)果可以看出：在深度為190、215、240～285、305 m 處有明顯低阻異常，異常強(qiáng)度較強(qiáng)，呈明顯條帶狀，這些區(qū)域與壓裂段位高度重合，綜合考慮認(rèn)為，這些低阻異常區(qū)域?yàn)槿斯ち芽p擴(kuò)展區(qū)域，從圖5c 中可以看出該孔實(shí)際裂縫半長(zhǎng)大于35 m，使用目前的壓裂方案，基本可實(shí)現(xiàn)工作面治理治理全覆蓋。

圖5 壓裂前后孔內(nèi)瞬變電磁探測(cè)成果Fig.5 Results of transient electromagnetic detection in the borehole before and after fracturing

在現(xiàn)場(chǎng)分段壓裂施工過(guò)程中，多次觀察到鄰孔有水流出(圖6)，判定人造裂縫和鄰孔實(shí)現(xiàn)了溝通。可以確定壓裂裂縫的擴(kuò)展范圍達(dá)到了39 m 以上，滿足水力壓裂施工的設(shè)計(jì)要求。

圖6 壓裂過(guò)程鄰近鉆孔出水情況Fig.6 Water flow near the borehole during fracturing

3.3 效果分析

將水力壓裂治理的42108 工作面與未治理的42107 工作面的礦壓顯現(xiàn)情況進(jìn)行對(duì)比，分析水力壓裂對(duì)礦壓的治理效果。其中，42107 工作面整體來(lái)壓強(qiáng)度較大，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，頂板周期來(lái)壓步距較大，造成頂板掉渣、下沉現(xiàn)象頻發(fā)，煤幫鼓和底鼓較大，導(dǎo)致超前支架移架困難。而42108 工作面經(jīng)過(guò)定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂治理，工作面正常支架循環(huán)末阻力為25.4～33 MPa，平均28.77 MPa，同比下降3.33%。周期來(lái)壓期間，支架循環(huán)末阻力為32.6～41.7 MPa，平均39.640 MPa，同比下降6.81%。動(dòng)載系數(shù)為1.22～1.48，平均1.31，降低了10.88%(表3)。

表3 布爾臺(tái)礦2 個(gè)工作面支架循環(huán)末阻力對(duì)比Table 3 Comparison of support end-of-circulation resistance of 42107 and 42108 working faces in Buertai Coal Mine

42107 和42108 工作面區(qū)域支架阻力分布如圖7所示，從圖中可以看出，42108 工作面在實(shí)施堅(jiān)硬頂板分段水力壓裂弱化后，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力場(chǎng)均勻分布，有效降低了周期來(lái)壓強(qiáng)度，減少了強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)，保證了工作面的回采安全。

圖7 布爾臺(tái)煤礦水力壓裂與未壓裂工作面支架阻力對(duì)比Fig.7 Comparison of support resistance distribution of 42107 and 42108 working faces in Buertai Coal Mine

4 結(jié)論

a.基于煤礦井下定向長(zhǎng)鉆孔弱化堅(jiān)硬頂板技術(shù)，根據(jù)區(qū)域治理裂縫展布需要，利用Arash Nasirisavadkouhi 擬三維裂縫模型確定水力壓裂施工參數(shù)，結(jié)果顯示，神東布爾臺(tái)礦4?2煤42108 工作面實(shí)際壓裂生成裂縫與設(shè)計(jì)裂縫的尺寸基本吻合，表明該模型可以指導(dǎo)煤礦井下的水力壓裂施工，為井下水力壓裂提供理論支撐。

b.布爾臺(tái)煤礦42108 工作面壓裂施工時(shí)，使用0.8 m3/min 的大排量高壓壓裂泵，每個(gè)壓裂段壓裂時(shí)間不少于30 min，可在工作而基本頂形成裂縫半長(zhǎng)大于41.6 m 的裂縫網(wǎng)絡(luò)。

c.使用定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂對(duì)42108 工作面堅(jiān)硬頂板進(jìn)行區(qū)域化治理后，礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，工作面正常支架循環(huán)末阻力同比下降3.33%；周期來(lái)壓期間，支架循環(huán)末阻力同比下降6.81%；動(dòng)載系數(shù)平均降低了10.88%；水力壓裂措施有效減弱了42108 工作面的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)工作面頂板的區(qū)域弱化。