游仙山煤礦工作面端頭懸頂水力壓裂技術(shù)及應(yīng)用

焦炎斌

(山西高平科興游仙山煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400)

1 工程概況

游仙山煤礦現(xiàn)主采15號煤層，該煤層位于太原組底部，上距3號煤層約100.25 m，揭露煤層厚度為3.20～5.16 m，平均厚4.10 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層傾角1～7°，黑色，細(xì)條帶狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)生裂隙發(fā)育，屬半亮型煤，屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。15210綜采工作面位于+810 m水平二采區(qū)，工作面標(biāo)高為789.986～830.473 m，該工作面傾向長152 m，走向長度872 m，平均斜面積132 544 m2.工作面煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示[1-2]。

表1 煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)

由表1可知，煤層直接頂為灰?guī)r，基本頂為細(xì)砂巖及粉砂巖，抗壓強度均達58 MPa以上，且厚度較大，屬于典型的堅硬頂板，而煤層底板多為泥巖，強度較低且完整性不好。在工作面回采的過程中，端頭頂板難以及時垮落，從而產(chǎn)生大面積的懸頂，伴隨著超前段礦壓劇增和軟弱底板底鼓，最終導(dǎo)致端頭支架出現(xiàn)壓死的情況。為保證礦井的安全高效生產(chǎn)，計劃在工作面兩端頭堅硬頂板實施水力壓裂技術(shù)，減小工作面回采時產(chǎn)生的懸頂面積，降低兩巷超前段的礦壓強度。

2 定向水力壓裂切頂機理

由于煤層上方存在強度高、厚度大、完整性較好的巖層，在工作面推進過程中，兩端頭弧形三角頂板未能及時垮落，從而形成懸頂，如圖1所示。

圖1 工作面頂板垮落狀態(tài)

由圖1可知，隨著工作面推進，弧形三角頂板與巷道煤柱邊緣形成較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，由于頂板較堅硬，沒有足夠的裂隙弱面，且采空區(qū)應(yīng)力不集中，無法及時切斷頂板巖層，進而造成懸頂面積越來越大。因此，需人為干預(yù)采用水力壓裂技術(shù)，及時切斷弧形三角頂板在采空區(qū)形成的懸臂梁結(jié)構(gòu)。

定向水力壓裂技術(shù)是通過鉆孔高壓注水實現(xiàn)的。根據(jù)彈性理論的最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，從鉆孔周圍應(yīng)力場出發(fā)，分析鉆孔的起裂方向和開裂所需壓力，得出注水壓力與鉆孔角度、地應(yīng)力場之間的關(guān)系，并以此來指導(dǎo)水力壓裂作業(yè)，如圖2所示。

圖2 鉆孔周圍主應(yīng)力分布

由圖2可知，鉆孔孔壁處最大拉應(yīng)力為[3]：

(1)

孔壁起裂條件為[3]：

σmax=σt

(2)

起裂初始位置為[3]：

(3)

式中：θ為x軸逆時針旋轉(zhuǎn)角度，°；σt為巖石的抗拉強度，MPa；σθz和σz分別為θ=θf處的應(yīng)力值，MPa；σθ為水壓力P的函數(shù)。

結(jié)合鉆孔綜合柱狀圖及現(xiàn)場頂板定向鉆孔揭露巖層，選取合適的壓裂位置，確定好方向后，用高壓水射流進行切縫至一定的層位，然后用封孔器將鉆孔口封閉，并持續(xù)增加水壓，使得高壓水壓預(yù)制切縫尖端向外擴展，使得堅硬頂板內(nèi)的裂隙高度發(fā)育并逐漸貫通，如圖3所示。

圖3 水力壓裂施工示意

在鉆孔內(nèi)自下而上分段以此進行壓裂，使得堅硬頂板不同層位均產(chǎn)生裂隙，在支承壓力的作用下，裂隙貫通形成網(wǎng)狀，人為破壞頂板的完整性，切斷采空區(qū)懸頂與工作面頂板間的應(yīng)力傳遞，改善工作面支架的受力環(huán)境，緩和超前段的礦壓強度，保證工作面安全高效回采。

3 定向水力壓裂現(xiàn)場施工

3.1 定向水力壓裂切頂方案

在15210工作面進、回風(fēng)巷道中實施水力壓裂切頂，根據(jù)實際鉆孔揭露出的頂板巖層情況，結(jié)合水力壓裂切頂機理確定出鉆孔方位、角度及水壓等參數(shù)。

1) 為保證端頭懸頂及時垮落，在巷道頂板上共施工兩組鉆孔，第一組鉆孔為淺孔，位于巷道煤柱幫上方，鉆孔間距10 m，鉆孔直徑設(shè)計為50 mm，孔深16 m，與水平線夾角為70°，呈仰角布置；第二組深孔鉆孔在頂板距煤柱幫1 m處施工，孔間距10 m，鉆孔直徑也為50 mm，鉆孔深度60 m，與巷道垂線夾角5°，仰角為70°布置。2組鉆孔交錯布置，相鄰兩鉆孔間距5 m，鉆孔布置如圖4所示。

圖4 水力壓裂鉆孔布置圖

2) 在鉆孔內(nèi)采用預(yù)制鉆頭每2 m定向施工一個切槽裂縫，即每2 m進行1次高壓水力壓裂。為保護錨索支護段頂板的完整性，在距鉆孔口8 m范圍內(nèi)不進行切槽壓裂，同時，為不妨礙工作面的正常生產(chǎn)，水力壓裂作業(yè)應(yīng)超前工作面60 m以上的距離實施。

3.2 水力壓裂施工工藝

壓裂時先壓淺孔再壓深孔，采用手動壓力泵封孔器對鉆孔進行封孔，在鉆孔內(nèi)自下而上逐步進行壓裂，注壓至20 MPa時停止加壓，觀察孔口壓力表及封孔器能否保持鉆孔封閉。然后繼續(xù)加壓，并記錄封孔壓力及注水壓力數(shù)據(jù)，當(dāng)鉆孔沿預(yù)制裂縫開裂后，注水壓力計會突然下降，此時保持住水壓，使得裂縫得以持續(xù)擴展形成橫縱交錯的裂隙網(wǎng)絡(luò)。在裂縫擴展時，保持水壓的時長由現(xiàn)場具體壓裂情況而定，一般前兩次壓裂保壓時長應(yīng)在30 min以上，后幾次壓裂保壓時長不低于20 min.在壓裂作業(yè)時，若發(fā)現(xiàn)水從煤壁、鉆孔或支護構(gòu)件中流出，說明裂縫破壞了淺部頂板的完整性，應(yīng)立即停止作業(yè)并采取相應(yīng)措施。

15210工作面水力壓裂過程中水壓變化如圖5所示。由圖5可知，壓裂時注水壓力泵的壓力主要集中在15～20 MPa.在鉆孔壁內(nèi)，當(dāng)注水壓力高于巖體抗拉強度時，裂縫會沿著預(yù)制切槽擴展至周圍，形成裂隙網(wǎng)格，使得巖層被弱化。由于壓裂區(qū)間的巖層完整性強，且均質(zhì)性好，因此整體注水壓力較為穩(wěn)定，局部孔深區(qū)域的水壓有明顯的波動，且存在淋水現(xiàn)象，這是因為該區(qū)域的原生裂隙較發(fā)育并與水壓裂隙貫通所致。

圖5 水壓變化曲線

4 壓裂效果分析

工作面端頭進行水力壓裂施工后，需采用有效的監(jiān)測手段對壓裂切頂效果進行分析，主要的檢驗方法為端頭頂板垮落情況及礦壓監(jiān)測。

4.1 端頭頂板垮落情況

在回采過程中實時觀測端頭頂板垮落情況，并與未采用水力壓裂時的頂板垮落情況記錄進行對比分析。觀測結(jié)果表明，未采用水力壓裂段的端頭頂板垮落不及時，且采空區(qū)內(nèi)懸頂面積較大，基本均在10 m2以上；在水力壓裂段，端頭頂板能夠隨著支架的前移而及時垮落，且垮落塊度適中，采空區(qū)內(nèi)的懸頂面積保持在5 m2以下。

4.2 工作面礦壓分析

在工作面端頭的1號及2號機頭支架安裝壓力傳感監(jiān)測站，對壓裂段和未壓裂段的來壓強度進行對比分析。1號、2號支架的監(jiān)測結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 1號支架來壓監(jiān)測結(jié)果

圖7 2號支架來壓監(jiān)測結(jié)果

由監(jiān)測結(jié)果可知，未壓裂段1號支架的周期來壓步距為27.52 m，壓裂段的周期來壓步距為18.75 m，較未壓裂時減少了8.77 m，降低了31.8%，支架末工作阻力下降了8%；2號未壓裂段支架的周期來壓步距為21.12 m，壓裂段的周期來壓步距為15.83 m，較未壓裂時減少了5.29 m，降低了25.0%，支架末工作阻力下降了26.6%.把圖拉長，可以看出趨勢。因此，采用水力壓裂技術(shù)后，工作面端頭的懸頂面積及礦壓顯現(xiàn)得到了明顯的改善，端頭支架的工作阻力最大降低了26.6%，周期來壓步距平均降低了28.4%.

5 結(jié) 語

根據(jù)15210綜采工作面的賦存特征，基于鉆孔揭露巖層情況及定向水力壓裂機理，對工作面端頭堅硬頂板實施了水力壓裂切頂后，工作面端頭頂板能夠隨著回采及時垮落，采空區(qū)內(nèi)的最大懸頂面積不超過5 m2，且工作面機頭支架的工作阻力最多降低了26.6%，周期來壓步距平均降低了28.4%，保證了工作面的安全高效回采，為類似工程問題提供了借鑒。