伊田煤業(yè)堅(jiān)硬頂板水力壓裂弱化技術(shù)研究

徐學(xué)標(biāo)

（山西潞安集團(tuán)蒲縣伊田煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041200）

1 工程概況

伊田煤業(yè)2203 工作面布置在11#煤層二二采區(qū)，11#煤層位于太原組下段頂部，煤層平均厚度5.39 m，煤層傾角約0°～8°，煤層含3～5 層夾矸，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，賦存條件良好，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。2203 工作面切眼長度為310 m，沿東西方向布置，埋深約為220～355 m。工作面北部為井田北部邊界，無相鄰礦井，南部為11#煤東翼回風(fēng)、膠帶、軌道三條大巷，東部、西部均為實(shí)體煤。

工作面無偽頂及直接頂，頂板為深灰色K2 灰?guī)r，平均厚度達(dá)7.92 m，致密堅(jiān)硬，強(qiáng)度較高，為典型的堅(jiān)硬厚巖層。其在回采過程中無法及時(shí)垮落，易形成大面積懸頂，進(jìn)而引起工作面及超前巷道頂板下沉，底鼓嚴(yán)重。因此，設(shè)計(jì)采用水力壓裂技術(shù)[1-5]提前弱化堅(jiān)硬頂板，保證工作面安全回采。

2 分段壓裂機(jī)理及鉆孔布置

2.1 分段壓裂機(jī)理

定向長鉆孔分段壓裂是指在工作面的頂板開設(shè)鉆孔，并斜向上繼續(xù)鉆進(jìn)至壓裂目標(biāo)層位，隨后沿水平向前鉆進(jìn)。壓裂工藝為雙封單卡拖動式壓裂技術(shù)，主要工作原理為將壓裂工具送入鉆孔指定位置后，開啟壓力泵向鉆孔內(nèi)注液，當(dāng)孔內(nèi)壓裂液壓力達(dá)到3 MPa 后，封閉隔離器，繼續(xù)加壓至5 MPa 后打開限流器，并開始進(jìn)行第一段頂板壓裂，如圖1（a）。

第一段壓裂完成后，關(guān)閉壓力泵并排出壓裂液進(jìn)行卸壓，同時(shí)，封閉隔離器自動彈回，隨后，操作定向鉆機(jī)后退并拖動高壓管路及隔離器至下一壓裂段位置，進(jìn)行下一段的壓裂施工，按此循環(huán)完成整段頂板的壓裂，如圖1（b）所示。該工藝可以使每段的壓裂裂縫形成貫通網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到理想的頂板弱化效果。

圖1 分段壓裂工藝

2.2 鉆孔布置與裂縫長度

工作面頂板為深灰色K2 灰?guī)r，均厚7.92 m，其充分垮落后可以有效充填采空區(qū)，減緩礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度，因此壓裂鉆孔可布置在K2 灰?guī)r層位的中部。

為使壓裂區(qū)域盡量覆蓋整個(gè)工作面，定向鉆孔的鉆進(jìn)方向與工作面走向一致，在工作面順槽鉆場內(nèi)進(jìn)行開孔，斜向上鉆進(jìn)至頂板灰?guī)r中部，隨后水平鉆進(jìn)至指定位置，鉆孔的長度根據(jù)現(xiàn)場條件及鉆機(jī)設(shè)備的性能確定。每個(gè)位置布置的鉆孔數(shù)量與壓裂裂縫長度有關(guān)，為防止壓裂后的裂縫擴(kuò)展至巷道內(nèi)的錨固區(qū)而影響支護(hù)，裂縫起始端應(yīng)與巷道保持30 m 的安全距離。工作面傾向長度為310 m，去除安全距離則剩余段為250 m，布置的鉆孔壓裂范圍應(yīng)覆蓋工作面剩余段。

3 分段壓裂參數(shù)及施工設(shè)計(jì)

3.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

采用三維裂縫模型分析壓裂時(shí)間及液體流速對裂縫半長的影響，根據(jù)2203 工作面頂板巖性情況建立模型，并假設(shè)：裂縫的最大寬度不變，裂縫尖端為圓滑狀，最小地應(yīng)力在裂縫垂向上呈均勻分布，裂縫的擴(kuò)展形態(tài)為橢圓形，如圖2。模擬中，模型圍巖的泊松比取0.22，剪切模量取5.25 MPa，壓裂液為水，其粘度取1，鉆孔半徑為80 mm，最小主應(yīng)力取7.741 MPa。

圖2 三維模型裂縫形態(tài)

通過模型計(jì)算得出水力壓裂時(shí)頂板裂縫擴(kuò)展的動態(tài)過程，將模擬結(jié)果繪制成曲線如圖3。由圖3可知，壓裂初期，裂縫在單位時(shí)間內(nèi)的擴(kuò)展長度較大，呈快速發(fā)育，壓裂進(jìn)入中后期時(shí)，裂紋的擴(kuò)展速度逐漸降低，單位時(shí)間內(nèi)的擴(kuò)展長度相對變??；裂縫半長會隨著壓裂時(shí)間的持續(xù)而逐漸增大，但其增長速度會隨著時(shí)間逐漸降低；裂縫半長的擴(kuò)展速度隨著注液流速的增大呈先增后減的趨勢。根據(jù)以上變化趨勢，結(jié)合壓裂設(shè)備能力及現(xiàn)場實(shí)際條件，壓裂時(shí)間應(yīng)不超過60 min，注液流速在1 m3/min 之內(nèi)。

圖3 壓裂時(shí)間及液體流速對裂縫半長的影響

3.2 施工設(shè)計(jì)

基于區(qū)域分段治理堅(jiān)硬頂板的思想，依據(jù)三維裂縫模擬結(jié)果進(jìn)行施工設(shè)計(jì)。由于壓裂設(shè)備的裂縫壓裂半長最大只能達(dá)到60 m，為保證壓裂治理能夠覆蓋整個(gè)工作面，同一鉆場內(nèi)沿工作面走向布置的鉆孔應(yīng)為3 個(gè)，則每個(gè)孔的壓裂裂縫半長應(yīng)大于41.6 m。

根據(jù)布孔原則及工作面走向長度，在工作面順槽內(nèi)共布置8 個(gè)鉆場，每個(gè)鉆場布置3 個(gè)鉆孔，共計(jì)24 個(gè)鉆孔。鉆孔均沿工作面走向平行布置，單孔長度在330～705 m 之間，壓裂層位為頂板K2 灰?guī)r中部，具體布置方案如圖4。

圖4 鉆孔平面布置方案

現(xiàn)場施工時(shí)，采用的壓裂泵組注液流速為0.8 m3/min，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，為保證單孔壓裂裂縫半長大于41.6 m，則壓裂時(shí)長應(yīng)在30 min 以上。

4 應(yīng)用效果分析

4.1 壓裂效果分析

為驗(yàn)證水力分段壓裂的頂板致裂效果，選擇2203 工作面壓裂鉆孔中的一個(gè)鉆孔，對其孔內(nèi)裂縫發(fā)育情況進(jìn)行瞬變電磁測試。瞬變電磁可以較好地探測出地質(zhì)體內(nèi)裂隙、巖溶等低電阻敏感區(qū)，精度高且穿透力強(qiáng)。在該孔實(shí)施水力壓裂前后分別進(jìn)行1 次瞬變電磁測試，如圖5。

圖5 瞬變電磁測試結(jié)果

對比分析壓裂前后孔內(nèi)的測試結(jié)果可知：壓裂前孔內(nèi)的低電阻異常區(qū)范圍較小，僅分布在150 m及190 m 附近，分析為圍巖的原生裂縫；進(jìn)行水力壓裂后，低電阻異常區(qū)基本覆蓋了整個(gè)探測范圍，且異常強(qiáng)度較高的區(qū)域呈明顯的條帶狀，這些強(qiáng)異常區(qū)與分段壓裂的位置基本吻合。綜合分析認(rèn)為，這些低電阻異常區(qū)為鉆孔水力壓裂后形成的裂縫擴(kuò)展區(qū)，壓裂效果較好。

4.2 礦壓治理效果分析

統(tǒng)計(jì)經(jīng)過水力壓裂治理后的2203 工作面的支架循環(huán)末阻力，并與未經(jīng)治理的2201 工作面支架循環(huán)末阻力做對比，分析頂板水力壓裂對礦壓顯現(xiàn)的治理效果。

2201 工作面未進(jìn)行堅(jiān)硬頂板治理，其在推進(jìn)過程中來壓強(qiáng)度較大，持續(xù)時(shí)間較長，工作面圍巖變形嚴(yán)重，支架壓架現(xiàn)象頻發(fā)。在正常推采階段，工作面來壓前平均支架循環(huán)末阻力為29.86 MPa，周期來壓時(shí)的平均支架循環(huán)末阻力為42.61 MPa，動載系數(shù)為1.48。

2203 工作面頂板經(jīng)過水力壓裂治理后，在正常推采階段，其來壓前的平均支架循環(huán)末阻力為28.55 MPa，相比2201 工作面降低了4.39%；周期來壓時(shí)的平均支架循環(huán)末阻力為38.72 MPa，相比2201 工作面降低了9.13%；動載系數(shù)為1.29，相比2201 工作面降低了12.8%?？梢钥闯?，采用水力壓裂治理堅(jiān)硬頂板后，工作面的礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度明顯降低，保證了工作面的安全回采。

5 結(jié)論

（1）基于水力分段壓裂機(jī)理，通過三維裂縫模擬軟件分析了壓裂時(shí)間及液體流速對裂縫半長的影響，得出壓裂時(shí)間應(yīng)不超過60 min，注液流速應(yīng)控制在1 m3/min 之內(nèi)。

（2）2203 工作面進(jìn)行壓裂施工時(shí)，同一鉆場內(nèi)沿工作面走向布置的鉆孔應(yīng)為3 個(gè)，每個(gè)孔的壓裂裂縫半長應(yīng)大于41.6 m，而現(xiàn)場施工時(shí)采用的壓裂泵組注液流速為0.8 m3/min，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，則壓裂時(shí)長應(yīng)在30 min 以上。

（3）對比分析水力壓裂前后工作面的礦壓顯現(xiàn)情況，結(jié)果表明，實(shí)施水力壓裂技術(shù)后，工作面來壓前的平均支架循環(huán)末阻力為28.55 MPa，相比治理前降低了4.39%；周期來壓時(shí)的平均支架循環(huán)末阻力為38.72 MPa，相比降低了9.13%；動載系數(shù)為1.29，降低了12.8%。說明該技術(shù)有效減弱了工作面的礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度，保證了工作面的安全回采。