米山煤業(yè)15103 工作面水力壓裂堅(jiān)硬頂板技術(shù)研究

王進(jìn)海

（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

米山煤業(yè)有限公司主采山15#煤層，蓋山厚度約178～154 m，煤層平均厚度2.7 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，含0～2 層夾矸，夾矸以炭質(zhì)泥巖和灰黑色泥巖為主，煤層傾角為2°～8°，平均傾角為5°。煤層頂?shù)装鍘r性見表1。直接頂為6.88～11.6 m 的K2 石灰?guī)r；基本頂為16.17～17.5 m 的中粒長石砂巖；底板巖層為1.72～8.85 m 的細(xì)砂巖。15#煤層變化穩(wěn)定，全區(qū)可采。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性

山15#煤層上方K2 石灰?guī)r硬度較大，厚度大，且整體完整性相對較好，在工作面回采過程中，頂板巖層不易垮落，容易造成大面積懸頂，對安全生產(chǎn)帶來極大隱患，因此提出采用水力壓裂的方式對頂板K2 石灰?guī)r進(jìn)行處理[1-5]，解決其大面積懸頂?shù)膯栴}。

2 水力壓裂頂板巖層方案設(shè)計(jì)

15103 工作面開采的山15#煤層上覆6.88～11.60 mK2 石灰?guī)r，完整性較好，較為堅(jiān)硬，再往上16.17～17.5 m 的中粒長石砂巖，完整性也較好，且抗壓強(qiáng)度較大，達(dá)45.3 MPa。參考相鄰工作面回采期間，頂板不易垮落，為防止頂板懸空面積過大，帶來安全隱患，后期還需進(jìn)行強(qiáng)制放頂，嚴(yán)重制約了工作面的正常回采，且有較大的安全隱患。因此15103 工作面計(jì)劃采用水力預(yù)裂的方式，提前對工作面頂板巖層進(jìn)行處理，促使頂板巖層在工作面回采后及時(shí)垮落[1-5]。壓裂鉆孔示意圖如圖1。

圖1 壓裂鉆孔示意圖

在工作面前方40 m 位置，在運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷采幫側(cè)均施工壓裂鉆孔，分別記為C 類、D 類鉆孔，與水平方向夾角為25°，走向方向角為80°，長度為30 m。C 類鉆孔和D 類鉆孔前方10 m 位置，在運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷采幫側(cè)分別布置A 類鉆孔和B類鉆孔，與水平方向夾角為30°，走向方向角為90°，長度為40 m。在A 類鉆孔和B 類鉆孔前方25 m 位置再重復(fù)施工C 類鉆孔和D 類鉆孔，循環(huán)往復(fù)。四類鉆孔參數(shù)見表2。

表2 壓裂鉆孔參數(shù)

3 工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 現(xiàn)場施工

現(xiàn)場水力壓裂流程如圖2：

圖2 水力壓裂工藝流程示意圖

（1）用Ф65 mm 的鉆頭進(jìn)行鉆孔，當(dāng)鉆孔滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，更換鉆頭，在鉆孔孔底位置施工切槽，如圖2（a）所示；

（2）連接高壓注水管，將封隔器送到切槽的既定位置，封隔器與手動泵通過低壓水管連接，利用手動泵往內(nèi)壓水，使封隔器膨脹并達(dá)到封孔的目的，如圖2（b）所示；

（3）將高壓泵與高壓注水管連接，并安裝水壓儀，利用高壓泵注水，對鉆孔封隔斷進(jìn)行壓裂，水壓儀用于記錄壓裂過程中水壓的變化情況，如圖2（c）所示。

在水力壓裂過程中，需注意以下事項(xiàng)：

（1）檢查注水管路無阻塞情況時(shí)，方可連接；

（2）手動泵注水封孔時(shí)，注水壓力一般為10～12 MPa 即可；

（3）高壓泵注水壓裂前，應(yīng)在施工位置前后100 m 處設(shè)置警戒線，與施工作業(yè)無關(guān)人員嚴(yán)禁入內(nèi)；

（4）啟動高壓泵進(jìn)行水力壓裂過程中，如附近觀測鉆孔或錨桿（索）發(fā)生瀝水、出水現(xiàn)象，應(yīng)立即停止作業(yè)；

（5）應(yīng)按照由里到外、從遠(yuǎn)到近的順序?qū)︺@孔進(jìn)行水力壓裂。

3.2 現(xiàn)場試驗(yàn)效果

3.2.1 水力壓裂施工效果

對15103 運(yùn)輸巷及回風(fēng)巷頂板巖層進(jìn)行水力壓裂過程中，記錄數(shù)據(jù)見表3。

表3 水力壓裂數(shù)據(jù)記錄

如表2 所示，距離孔底位置越近，鉆孔壓裂所需水壓就越大，由于A 類鉆孔和B 類鉆孔比C 類鉆孔和D 類鉆孔長度大，因此鉆孔壓裂時(shí)所需水壓也更大。

3.2.2 工作面液壓支架工作阻力監(jiān)測

（1）水力壓裂前后工作面液壓支架工作阻力

對工作面頂板巖層水力壓裂前后，15103 工作面回采過程中液壓支架最大工作阻力對比如圖3。

圖3 水力壓裂前后工作面液壓直接工作阻力

如圖3 所示可知，未對工作面頂板巖層進(jìn)行水力壓裂時(shí)，工作面液壓支架工作阻力最大值為5700 kN，水力壓裂后，工作面液壓支架工作阻力最大值為4300 kN，水力壓裂后工作面液壓支架工作阻力降低了24.6%。現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，對工作面頂板巖層進(jìn)行水力壓裂后，改善了采場圍巖應(yīng)力環(huán)境，液壓支架最大工作阻力降低明顯。

（2）水力壓裂后工作面液壓支架工作阻力變化

對8103 工作面頂板巖層水力壓裂后，工作面回采過程中，液壓支架工作阻力變化情況如圖4。

圖4 水力壓裂后工作面液壓支架工作阻力

如圖4 所示，對工作面頂板巖層進(jìn)行水力壓裂后，工作面回采過程中，工作面液壓支架平均工作阻力為3300 kN，壓力不大，液壓支架工作狀態(tài)良好，周期來壓步距平均為25.6 m。通過現(xiàn)場觀測，工作面回采過程中頂板巖層能夠及時(shí)垮落，未出現(xiàn)大面積懸頂現(xiàn)象，達(dá)到了預(yù)期目的。

4 結(jié)論

米山煤業(yè)主采的15#煤層頂板巖層堅(jiān)硬，工作面回采過程中頂板巖層不易垮落，易形成大面積懸頂。根據(jù)實(shí)際條件，設(shè)計(jì)了15#煤層采場頂板巖層水力壓裂方案和參數(shù)?，F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，工作面液壓支架工作阻力最大值降低了24.6%，平均值僅為3300 kN，周期來壓步距平均值為25.6 m，回采過程中頂板巖層能夠及時(shí)垮落，未出現(xiàn)大面積懸頂現(xiàn)象，達(dá)到了預(yù)期的目的。