正利煤業(yè)14-1-201工作面堅(jiān)硬頂板水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用

朱正東

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司，山西 呂梁 033100）

0 引言

煤巖體水力壓裂技術(shù)的原理是利用鉆孔水壓的作用,改變孔邊煤巖體的應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致孔邊起裂和裂縫擴(kuò)展，進(jìn)而利用裂隙水壓力，控制水壓主裂縫的擴(kuò)展。同時(shí),隨水壓主裂縫的擴(kuò)展，裂縫水壓向兩側(cè)滲透形成滲透水壓力,引起原生節(jié)理裂隙在其兩端進(jìn)一步擴(kuò)展，其擴(kuò)展方向一般垂直于最小主應(yīng)力方向,導(dǎo)致擴(kuò)展分支裂縫與原生裂隙面成一定的夾角,稱(chēng)為翼型分支裂縫。水力致裂后,煤巖裂隙密度增大,裂縫網(wǎng)絡(luò)連通性提高;總體上形成了主節(jié)理裂隙、翼支裂隙和主水力裂隙的裂隙網(wǎng)絡(luò),提高了煤層的冒放性。在煤炭開(kāi)采中，隨著工作面的推進(jìn)而垮落的巖層稱(chēng)為直接頂。直接頂上覆巖層具有較強(qiáng)的自承能力、堅(jiān)硬而完整的堅(jiān)硬頂板，此類(lèi)頂板在采后末段易形成大面積難垮懸頂。當(dāng)懸頂長(zhǎng)度到達(dá)極限跨距時(shí)突然冒落，會(huì)導(dǎo)致沖擊地壓或煤與瓦斯突出等災(zāi)害，造成損壞設(shè)備甚至造成人身傷亡。針對(duì)堅(jiān)硬頂板，目前較為常用的卸壓方法為聚能爆破技術(shù)和水力壓裂技術(shù)。由于井下火工品的使用在井下環(huán)境受到限制，因此水力壓裂技術(shù)成為更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用的技術(shù)，通過(guò)在井下頂板鉆孔中注入高壓水，并在鉆孔處形成應(yīng)力集中區(qū)域，高應(yīng)力使巖層起裂，隨后形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而使堅(jiān)硬頂板及時(shí)垮落。本文對(duì)水力壓裂技術(shù)在正利煤業(yè)14-1-201工作面的應(yīng)用進(jìn)行了分析和研究，探討了該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用效果，并為控制同類(lèi)頂板提供參考。

1 工程概況

正利煤業(yè)14-1-201工作面主采4號(hào)煤，埋深606～668 m，煤層厚度1.9～3.5 m，平均煤層厚度為2.4 m，采用綜合機(jī)械化開(kāi)采，全部垮落法管理頂板，可推進(jìn)長(zhǎng)度為1 220 m，平均走向長(zhǎng)度1 497 m，傾向長(zhǎng)度280 m，工作面布置見(jiàn)圖1。工作面附近煤巖層柱狀圖見(jiàn)圖2，煤層基本頂為粉砂巖。該工作面西部與14-1-101工作面采空區(qū)相鄰，其動(dòng)壓對(duì)本工作面副巷產(chǎn)生影響，出現(xiàn)錨桿錨索破斷現(xiàn)象，底鼓量達(dá)1.5 m，兩幫回縮量達(dá)1.5 m，頂板下沉量最大達(dá)500 mm；14-1-201工作面正巷上隅角懸頂也對(duì)安全生產(chǎn)和正常推進(jìn)造成制約，最大懸頂長(zhǎng)度達(dá)20 m，容易造成瓦斯積聚超限。采用水力壓裂技術(shù)控制該工作面堅(jiān)硬頂板，進(jìn)行回采期間頂板的及時(shí)垮落，并對(duì)水 力壓力技術(shù)在該工作面的應(yīng)用效果進(jìn)行研究和分析。

圖1 14-1-201工作面布置圖

2 水力壓裂切頂卸壓技術(shù)研究

2.1 技術(shù)原理

采煤過(guò)程中，工作面持續(xù)推進(jìn)，采空區(qū)會(huì)隨著工作面的推進(jìn)而暴露大范圍頂板，這些頂板巖層出現(xiàn)冒落；有些采空區(qū)頂板在不易冒落，是由于其頂板屬堅(jiān)硬頂板，大多為堅(jiān)硬的砂巖和石灰?guī)r。這些巖層面積較大，不能隨工作面推進(jìn)及時(shí)冒落，會(huì)在采空區(qū)上方形成懸頂，造成不穩(wěn)定邊界結(jié)構(gòu)。而這些堅(jiān)硬頂板的突然垮落會(huì)造成諸多事故的發(fā)生，因此需要對(duì)頂板進(jìn)行認(rèn)為的弱化處理。水力壓裂技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛，如：石油、天然氣和地?zé)岬拈_(kāi)采、核廢物處置等領(lǐng)域。

定向水力壓裂首先需設(shè)置壓裂區(qū)域，在該區(qū)域預(yù)先設(shè)定裂縫，高壓水沿著預(yù)先制得的裂縫行走，使頂板形成的裂縫擴(kuò)展最終形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，最終使堅(jiān)硬頂板強(qiáng)度弱化，不易冒頂板得以控制。該方法在堅(jiān)硬頂板控制方面有較多成功案例，證明其擁有良好的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用性。圖3為頂板水力壓裂示意圖，其中，封孔器由中心管和封隔器膠筒組成，是高壓水流的通道，在施工過(guò)程中，高壓水經(jīng)過(guò)中心管進(jìn)入巖孔，用于壓裂巖石，而高壓水的存儲(chǔ)空間為封隔器和中心管之間，以此來(lái)密封壓裂段。高壓水泵選用電壓660/1140V，油泵流量為80 L/min。為實(shí)時(shí)監(jiān)控水壓，開(kāi)發(fā)并研制了KJ327-F水壓致裂數(shù)據(jù)采集儀，該儀器使用方便，具有防水功能，并能實(shí)時(shí)記錄流量和壓力的變化。

2.1.1 水平井分段壓裂技術(shù)

水平孔是間隙技術(shù)的一個(gè)重要分支。該技術(shù)在短時(shí)間內(nèi)可產(chǎn)生多條水力裂縫,具有一定的優(yōu)勢(shì)。這就形成了一種相對(duì)快速的排水方式,這可能會(huì)減少對(duì)存儲(chǔ)層的損害。然而,該技術(shù)的難點(diǎn)主要在于壓裂工藝的劃分和井下封堵工具的選擇。一般將間隙技術(shù)分為不同的類(lèi)別,主要依據(jù)鎖緊方法的不同，一般分為水力壓裂。

2.1.2 直井多層分壓技術(shù)

1）封隔器分層壓裂。分壓技術(shù)是目前最先進(jìn)的壓裂技術(shù)之一。然而,由于空氣要求高、操作復(fù)雜、施工成本高、施工風(fēng)險(xiǎn)大,抗堵層壓力的應(yīng)用并不全面。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先,層重新分配。最小子庫(kù)存量層應(yīng)力較大,在大型深孔工程中應(yīng)用廣泛；二是雙密封壓裂橋電容分離技術(shù)易于控制,使壓裂油層上可以進(jìn)行任何可能的壓裂油層；第三,套管多層印刷技術(shù)理論上允許無(wú)限多個(gè)連續(xù)斷裂和大量擠壓，但技術(shù)復(fù)雜,施工過(guò)程穩(wěn)定性差,施工風(fēng)險(xiǎn)高。

2）連續(xù)油管分層壓裂技術(shù)。該技術(shù)解決了多層負(fù)載的問(wèn)題。在某種意義上,可以延長(zhǎng)壓力該技術(shù)解決了多層負(fù)載的問(wèn)題。在某種意義上,它可以延長(zhǎng)壓力。從空氣管道的改建平面來(lái)看，具有很大的優(yōu)勢(shì)。但是由于設(shè)備的復(fù)雜性,也存在一定的局限性,這種技術(shù)的問(wèn)題會(huì)嚴(yán)重影響裂縫的質(zhì)量和程度。

3）化學(xué)隔離分段壓裂。在油氣勘探中，化學(xué)破碎是常見(jiàn)的分裂方法?；瘜W(xué)隔板主要用于打破水平井底層的管道支撐,用注水射流處理,最后用水溶性自學(xué)習(xí)活塞解決,使地面沉降成為可能。在石油生產(chǎn)中,這種水處理工藝在電壓突然下降的情況下可以造成有效的堵塞,使其得到很好的利用,更好地利用天然氣資源。

2.2 現(xiàn)狀分析

2.2.1 側(cè)向支撐壓力

回采作業(yè)進(jìn)行后，采空區(qū)礦壓轉(zhuǎn)移至周?chē)螀^(qū)，形成可移動(dòng)支撐壓力，位于工作面前方，形狀為方形；在工作面后方和上、下方形成殘余支承壓力，如圖4所示。本次卸壓對(duì)象為圖3中曲線(xiàn)2、曲線(xiàn)3，為工作面?zhèn)认蛑С袎毫Α?/p>

圖3 采空區(qū)周?chē)鷳?yīng)力重分布

回采工作面的應(yīng)力分布會(huì)隨著采動(dòng)而變化，工作面前方由于尚未開(kāi)采，幾乎不受采動(dòng)影響，并且距離較遠(yuǎn)，為原始應(yīng)力區(qū)域；在工作面附近，受采動(dòng)影響最為劇烈，為應(yīng)力增大區(qū)域；在工作面后方遠(yuǎn)離工作面的區(qū)域，采動(dòng)影響逐漸變得穩(wěn)定。故在工作面附近的支撐壓力增大，從而導(dǎo)致護(hù)巷煤柱荷載突增，外巷巷道開(kāi)始出現(xiàn)片幫、底鼓，巷道變形也逐漸增大，如圖4、圖5所示。

圖4 支承壓力隨工作面推進(jìn)變化

圖5 護(hù)巷煤柱在回采工作面前后方的應(yīng)力分布

在采用陷落法時(shí)，采空區(qū)頂板會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)區(qū)域，從上到下依次為：彎曲下沉帶、裂隙帶、冒落帶。冒落帶具有一般采厚2～4倍的巖層厚度，其厚度取決于頂板巖層賦存狀態(tài)和開(kāi)采厚度。隨著頂板巖層的冒落，高度到達(dá)h時(shí)形成裂隙帶，這是由于頂板上部巖層受已垮落巖石的制約，導(dǎo)致其不再自由垮落，而已冒落的巖石被壓實(shí)，故形成裂隙帶。裂隙帶巖層保持原有層次，但其結(jié)構(gòu)被破壞，又由于巖石受上部巖層擠壓而被壓實(shí)，在某一點(diǎn)可能到達(dá)平衡狀態(tài)，這會(huì)使采空區(qū)煤柱荷載增大。彎曲下沉帶位于裂隙帶上方，此部分巖層裂隙減少，進(jìn)行整體移動(dòng)時(shí)對(duì)礦壓顯現(xiàn)影響較小。

采空區(qū)上覆巖層的破壞可分為3個(gè)階段，如圖6所示。Ⅲ內(nèi)上覆巖層為懸垂?fàn)顟B(tài)，采空區(qū)兩側(cè)壓力由于受到該部分巖層重量而導(dǎo)致受壓，這部分壓力稱(chēng)為支承壓力，遠(yuǎn)大于原始應(yīng)力，而采空區(qū)要低于原始應(yīng)力?；夭珊?，位于冒落帶的巖石被壓縮，底板受到了采空區(qū)上覆巖層的壓力，這使得煤柱壓力降低。工作面后方，由于頂板垮落，使冒落帶巖石受壓，從而導(dǎo)致底板巖層和冒落帶壓力回退，恢復(fù)至原始應(yīng)力處，與此同時(shí)，煤柱受壓也趨于穩(wěn)定。沿回采方向，煤體與煤柱受力情況與回采空間前后的應(yīng)力分布聯(lián)系緊密，它反映了在采煤過(guò)程中，受采動(dòng)影響引起應(yīng)力重新分布，是維護(hù)巷道理論中十分重要的因素。位于采空區(qū)的巖層，運(yùn)動(dòng)或者破壞，都會(huì)造成煤柱受力的變化。

圖6 回采工作面前后方的應(yīng)力分布

2.2.2 現(xiàn)有卸壓技術(shù)

1）底板切縫和兩幫切縫。底板切縫可以將底板水平應(yīng)力轉(zhuǎn)移至深部，從小減小淺層底板的水平應(yīng)力，避免了底板的彎曲和鼓包。影響切縫卸壓效果因素有很多，其中，切縫深度最為關(guān)鍵，應(yīng)該根據(jù)不同應(yīng)力分布場(chǎng)和底板巖石性質(zhì)來(lái)確定。與此同時(shí)，兩幫切縫可以降低幫所受的承載力，將幫受應(yīng)力轉(zhuǎn)移至深部。

2）鉆孔卸壓。鉆取卸壓孔，使應(yīng)力重新分布。

3）松動(dòng)爆破。松動(dòng)爆破常用于兩幫或底板，爆破后產(chǎn)生裂縫，從而與底板深部脫離，將高應(yīng)力區(qū)的巖層卸壓，將應(yīng)力轉(zhuǎn)移至深部巖層。

4）卸壓煤柱。卸壓煤柱可以傳遞所承受壓力，其破碎后將應(yīng)力轉(zhuǎn)移至較遠(yuǎn)巖體上，從而控制底鼓。

綜上，這些方法均可以轉(zhuǎn)移或釋放巖體高應(yīng)力區(qū)，但因成本巨大，安全性較低，并且難以控制最終效果。因此，使用定向水力壓裂技術(shù)實(shí)現(xiàn)堅(jiān)硬頂板卸壓。

3 水力壓裂方案及效果

3.1 水力壓裂方案

根據(jù)14-1-201工作面頂板巖層厚度、巖性、礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)等，現(xiàn)設(shè)計(jì)水力壓裂鉆孔為雙側(cè)孔布置，鉆孔布置如圖7所示，具體參數(shù)如下：

1）鉆孔參數(shù).水力壓裂鉆孔采用雙側(cè)布置，對(duì)頂板巖層進(jìn)行窺視，后分析可得，確定了鉆孔長(zhǎng)度均為40 m，空間距均為7 m，仰角均為50°，鉆頭直徑為60 mm，鉆桿直徑為42 mm。S1處鉆孔開(kāi)孔位置距煤柱幫1～1.5 m，水平方向向巷道端頭向軸線(xiàn)順時(shí)針偏5°；R1處開(kāi)孔，水平角為垂直于巷道軸線(xiàn)（向回采側(cè)）；S2處開(kāi)孔位置距實(shí)體煤側(cè)幫1～1.5 m，水平角為巷道軸線(xiàn)（向端頭方向）逆時(shí)針偏5°；R2處水平角為垂直于巷道軸線(xiàn)（向回采側(cè)）。

2）水力壓裂參數(shù)。根據(jù)14-1-201工作面頂?shù)装宓貞?yīng)力分布情況，以及其巖層物理力學(xué)參數(shù)情況，計(jì)算出水力壓裂的起裂壓力為25～30 MPa，見(jiàn)公式（1）：

式中：Pb為水力壓裂的起裂壓力，MPa；σmax為巖層地應(yīng)力的最大主應(yīng)力，MPa；σmin為巖層地應(yīng)力中的最小主應(yīng)力，MPa。

并且，該水力壓裂分為一次壓裂和二次壓裂。一次壓裂深度為鉆孔13～40 m（深度）區(qū)段，在鉆孔施工好后進(jìn)行壓裂，每3 m壓裂一次，遇堅(jiān)硬砂巖每2 m壓裂一次，壓裂9～11次；二次壓裂深度為鉆孔3m-13m（深度）區(qū)段，在鉆孔即將進(jìn)入超前架前進(jìn)行壓裂，每3 m壓裂一次，壓裂3～4次。封孔壓力為10～16 MPa，保壓時(shí)間為30 min。壓裂的同時(shí)記錄壓力表讀數(shù)及附近鉆孔出水情況，如果相鄰鉆孔出水量非常大且壓力表讀數(shù)突然下降，停止本段壓裂。此外，進(jìn)行一次壓裂時(shí)，如果附近錨索出水需停止本孔壓裂，工作面鉆孔布置如圖7所示。

圖7 14-1-201工作面水力壓裂鉆孔布置平面示意圖

3.2 效果分析

14-1-201工作面回采期間，在超前工作面95 m處，安裝巷道表面位移監(jiān)測(cè)站，利用十字測(cè)點(diǎn)法，測(cè)量左右兩幫移近量、巷道頂板下沉量、底板鼓起量。工作面每推進(jìn)8 m觀測(cè)一次，利用觀測(cè)結(jié)果，繪制出圍巖變形量與工作面間距關(guān)系曲線(xiàn)，見(jiàn)圖8。

圖8 圍巖變形量曲線(xiàn)

由圖8可知，巷道圍巖變形量隨回采作業(yè)的進(jìn)行而顯現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中底鼓量增加幅度最大。在工作面與觀測(cè)點(diǎn)間距～70 m時(shí)，巷道圍巖以較小的速度變形，變形總量微小；當(dāng)間距＜50 m時(shí)，圍巖變形速率增加，其中，變形速率由慢到快分別為：右?guī)鸵平?、頂板下沉量、左幫移近量、底鼓量；?dāng)工作面推至觀測(cè)點(diǎn)時(shí)，圍巖變形量最大，底鼓量仍為最大，為158 mm，左幫移近量次之，為75 mm，右?guī)妥冃瘟亢晚敯逑鲁亮孔兓钚?，分別為13 mm和51 mm。數(shù)據(jù)表明，所有圍巖變形量均在合理范圍之內(nèi)，滿(mǎn)足回采巷道使用要求。

另外，在14-1-201工作面回采作業(yè)期間，對(duì)副巷的懸頂進(jìn)行測(cè)量，可知卸壓后該工作面副巷懸頂長(zhǎng)度保持在5～8 m，長(zhǎng)度合理，并且可以隨推采及時(shí)垮落，證明水力壓裂切頂卸壓技術(shù)取得了不錯(cuò)的成果。

4 結(jié)論

針對(duì)正利煤業(yè)14-1-201工作面堅(jiān)硬頂板難跨問(wèn)題，采用水力壓裂切頂卸壓技術(shù)進(jìn)行堅(jiān)硬頂板的認(rèn)為控制。在工作面副巷兩側(cè)進(jìn)行水力壓裂鉆孔布置，并對(duì)鉆孔參數(shù)進(jìn)行了設(shè)置，水力壓裂分為2段。通過(guò)對(duì)比巷道圍巖變形量可知，水力壓裂控制頂板方案實(shí)施后，圍巖變形量控制在了合理范圍內(nèi)，懸頂長(zhǎng)度較為合理，卸壓效果良好。