特厚緩傾斜煤層堅硬厚頂板超長鉆孔定向三維水力壓裂技術及應用

常 博，趙志鵬，楊 偉，楊 旭，楊 歡，鄭凱歌，孔令宇

（1.國家能源集團新疆能源有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.國能新疆寬溝礦業(yè)有限責任公司，新疆 昌吉 831215；3.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術大學，甘肅 蘭州 730030；4.中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西 西安 710077）

0 引言

新疆作為我國重要的能源基地，煤炭資源賦存豐富，部分煤層具有煤層厚、頂板堅硬等特點，煤層開采過程中，極易形成大面積懸頂，懸頂垮落時，由于空間大，經常會誘發(fā)強礦壓（沖擊）動力災害[1-3]。

許多專家學者針對厚煤層堅硬頂板懸頂問題展開了大量研究[4-5]。張春牛等[6]研究表明上覆厚硬巖層是工作面應力集中的主要因素，且厚度頂板越靠近煤層，應力集中系數越大。張宏偉等[7]分析了大采高厚硬頂板工作面推進后易形成“F”型懸頂造成工作面前后超前應力峰值和范圍變大。王帥等[8]提出通過切頂消除上煤層開采后形成的大范圍懸頂結構實現下煤層安全開采。陳鋒[9]通過對千米深井厚硬頂板水力壓裂實現厚基本頂分層垮落，有效降低來壓強度。于斌等[10]提出通過地面壓裂對大空間堅硬頂板破斷產生的強礦壓現象進行治理。趙猛等[11]的研究表明，通過大直徑鉆孔，爆破頂底板及煤體可有效降低深部堅硬頂板對工作面的沖擊風險。張瑾[12]、韓志遠[13]提出采用深孔預裂爆破技術減小采空區(qū)懸頂范圍。馬冰等[14]提出通過水力壓裂促使厚硬頂板分層垮落降低工作面來壓現象。賀斌等[15]以大柳塔煤礦為例，發(fā)現對懸頂頂板超前預裂可有效提高頂板裂縫發(fā)育，降低頂板強度，減小來壓風險。蘇波[16]研究表明對工作面端頭懸頂壓裂可使支架上方高應力向頂板深處轉移。

綜上所述，專家學者們針對厚硬頂板對工作面的影響機理、懸頂處置措施有較多研究，并從多角度分析了水力壓裂對懸頂問題的治理效果。但是對于新疆部分礦井而言，其煤層較中東部更厚，且頂板更為堅硬難以垮落，常規(guī)水力壓裂難以起到效果，因此，本文研究超長鉆孔定向水力壓裂參數，通過在厚硬頂板形成三維裂縫達到弱化效果，為特厚緩傾斜煤層堅硬厚頂板安全高效開采提供參考。

1 地質及生產概況

國能新疆寬溝礦業(yè)有限責任公司位于新疆昌吉州呼圖壁縣雀爾溝鎮(zhèn)，區(qū)內含煤9 層，含煤地層為387.99～595.64 m，平均為476.99 m，煤層總厚度為17.04～63.16 m，平均為34.85 m。其中，全區(qū)或大部可采煤層為7 層，從下到上分別編號為B0、B1、B2、B3、B4-1、B4-1下、B4-2，煤層及其頂底板柱狀圖如圖1（a）所示。

圖1 煤巖柱狀及工作面空間布置圖Fig.1 Layout of coal rock pillar and working face space

目前所采I010206 工作面位于B2煤層中，埋深355～455 m，工作面北側為I010202 采空區(qū)，區(qū)段煤柱為15 m，南側為井田邊界，上方為B4-1煤層的I010408 采空區(qū)，層間距50 m，工作面布置如圖1（b）所示。走向長度1 664 m，傾向長度85～137.8 m，采用放頂煤開采，采高3.2 m，放煤6.3 m，平均傾角14°。工作面上方2.84 m 為中粒砂巖和細砂巖的厚組合層，其中，中粒砂巖13.59 m，細粒砂巖12.51 m，組合巖層單軸抗壓強度115.25 MPa，抗拉強度7.14～8.02 MPa，屬于典型堅硬厚頂板。

2 特厚緩斜煤層堅硬厚頂板礦壓控制思路

2.1 特厚緩斜煤層堅硬厚頂板垮落特征

隨著采煤工作面推進頂板不斷垮落，其中特厚緩斜煤層頂板垮落與一般中厚水平煤層相比有以下特征：①工作面采后頂板下方空間大；②下順槽頂板冒落充填高度較上順槽大。中厚水平煤層和特厚緩斜煤層采后頂板形態(tài)如圖2[17]所示。

圖2 工作面采后頂板垮落形態(tài)Fig.2 Shape of roof collapse after mining in the working face

由圖1 可知，工作面上方直接頂厚度僅為2.84 m，基本頂厚度較大且強度較高，因此在工作面后方易形成懸臂梁結構，為分析頂板懸臂長度，簡化頂板結構如圖3 所示。

圖3 頂板懸臂結構力學模型Fig.3 Mechanics model of roof cantilever structure

根據材料力學可知，堅硬頂板懸臂結構最大彎矩Mmax計算見式（1）。

式中：q為堅硬頂板自身及其上覆軟弱巖層載荷；L為堅硬巖層最大懸臂長度?？紤]截面模量J，則堅硬巖層所承受的最大拉應力計算見式（2）。

式中：H為堅硬巖層厚度，當其承受的最大拉應力達到其抗拉強度時發(fā)生破斷，據此可以計算出堅硬頂板破斷步距Lmax見式（3）。

由式（3）可知，堅硬巖層破斷步距主要與堅硬巖層厚度、抗拉強度和堅硬巖層自重及其承載層重量有關。當破斷步距較大時，由于其下方空間大，堅硬巖層垮落時極易形成颶風，引起工作面強來壓從而引發(fā)人員傷亡和設備損失。

2.2 堅硬厚頂板采場礦壓控制思路

堅硬厚頂板減小其破斷步距的主要思路為：①降低其自身抗拉強度；②破壞其完整性，使堅硬頂板可以分層垮落，減小其有效厚度。采用定向長鉆孔水力壓裂技術可同時滿足上方兩個要求。根據煤巖柱狀圖及現場實際條件可知，I010206 工作面上方中粒砂巖和細粒砂巖巖性相似，強度相同，無明顯分界，為使頂板可以實現分層垮落，將壓裂層位設置在兩巖層交界附近，最終確定壓裂層位于距煤層頂板15 m 的位置。結合特厚緩傾斜煤層采后頂板垮落形態(tài)，應優(yōu)先進行上方頂板壓裂。

3 定向長鉆孔水力壓裂參數優(yōu)化

3.1 鉆孔起裂壓力

巖層起裂壓力可由式（4）和式（5）計算。

式中：PF為巖石的起裂壓力；σH、σh分別為最大主應力、最小主應力；σf為巖層抗拉強度；φ為巖層孔隙度（堅硬巖層可取20%～30%）；υ為泊松比。

通過對工作面頂板巖層強度測試和地應力測試結果可知，頂板抗拉強度為7.14～8.02 MPa，最大主應力為12.8～13.9 MPa，最小主應力為5.50～7.37 MPa，泊松比為0.24。經計算，起裂壓力需不小于15.75 MPa，因此，鉆孔起裂壓力確定為17 MPa。為更好地確定壓裂參數，保證壓裂效果，分別采用Comsol 軟件、Abaqus 軟件、FracproPT 軟件對鉆孔間距、壓裂段間距和注水量進行模擬分析。

3.2 鉆孔間距

模型尺寸為200 m×100 m×50 m，在模型中間開孔，鉆孔長度100 m，根據現場頂板實際情況設置滲流系數為1.2×10-8，水動力黏度為10-3Pa·s，模擬分析17 MPa 時壓裂1 h 后的孔隙壓力場分布情況，孔隙壓力場等值面及壓力值如圖4 所示。

圖4 孔隙壓力場等值面及壓力值分布曲線Fig.4 Pore pressure field isosurfaces and pressure value distribution curve

由圖4（a）可知，壓裂孔周圍孔隙水壓力分布基本呈現為一個橢球體型，且在鉆孔表面達到孔隙水壓力峰值，孔隙水壓力沿鉆孔軸向變化不大，隨著鉆孔徑向距離的增加，孔隙水壓力迅速衰減，其中，5 m內衰減速度最快。

根據格里菲斯強度理論，裂紋擴展的條件是尖端應力大于其抗拉強度。由圖4（b）可知，孔隙壓力降低至8.02 MPa 和7.14 MPa 時（巖石抗拉強度）分別距離鉆孔中心25 m 和36 m，因此鉆孔間距選取為50～72 m。

3.3 壓裂段間距

考慮模型邊界效應，模型尺寸為135 m×40 m，初始地應力為10 MPa，初始孔壓為0，飽和度為1，不同壓裂段間距下的裂縫發(fā)育形態(tài)如圖5 所示。由圖5可知，隨著壓裂段間距的增加，縫間干擾效應減弱，壓裂段間距為18 m 時，兩裂縫相互影響作用造成裂縫出現明顯偏轉；當間距為30 m 時，前縫對后縫的影響不明顯；當間距為45 m 時，后壓裂裂縫擴展形態(tài)基本不受前縫影響。綜合考慮縫間影響效應，同時避免壓裂不充分出現盲區(qū)，確定壓裂段間距為30 m。

圖5 不同壓裂間距下裂縫發(fā)育形態(tài)Fig.5 Crack development morphology under different fracturing intervals

3.4 注水量

將煤層參數和初始壓裂參數設置在FracproPT軟件中模擬得到不同注水量時裂縫擴展距離，模擬結果經處理如圖6 所示。注水量由20 m3增加至35 m3時，裂縫擴展長度由20.1 m 增加至30.1 m，增加了接近50%。當總注水量為80 m3時，裂縫擴展長度仍為30 m 左右，說明總注水量在35 m3以下時，提高注水量可有效增加裂縫擴展距離，注水量超過35 m3時，增加的注水量大部分都隨裂縫濾失，裂縫不再擴展，因此確定單段注水量為35 m3。綜上分析，確定寬溝煤礦I010206 工作面壓裂施工參數見表1。

表1 定向水力壓裂參數Table 1 Parameters of directional hydraulic fracturing

圖6 不同注水量時裂縫擴展距離Fig.6 Crack propagation distance under different water injection rates

4 定向長鉆孔水力壓裂技術與工藝

4.1 定向鉆進技術

定向鉆進是指根據目標壓裂需求，設計鉆孔軸線，并通過人為控制的造斜工具有目的地改變鉆孔正常鉆進軌跡線，使其達到設計需求。常用的定向鉆進技術包括滑動定向鉆進和復合定向鉆進，其中復合定向鉆進技術一方面可使高壓水驅動孔底螺桿馬達帶動帶有彎接頭的鉆頭轉動實現造斜，另一方面鉆機帶動鉆具轉動并施加向前的壓力，實現巖石破碎，達到“邊滑邊鉆”的高效定向鉆進。

4.2 定向長鉆孔水力壓裂工藝

根據現場地質條件，選擇采用雙封單卡多點拖動管柱分段水力壓裂工藝進行施工。其工作原理為雙封隔器內具有平衡泄壓通道，可實現分隔器和壓裂液之間的壓力平衡，實現“即壓即封、卸壓解封”的目標。具體施工壓裂流程如下所述。施工示意如圖7 所示。

圖7 雙封單卡多點拖動管柱分段水力壓裂施工圖Fig.7 Segmented hydraulic fracturing construction drawing of double seal single card multipoint drag pipe string

1）進行定向鉆孔施工并將壓裂工具送入設計位置。

2）采用封隔器單卡壓裂段，注入壓裂液，當壓裂液達到3 MPa 時實現封隔器封堵，當壓裂液達到5 MPa 時限流器開啟，隨著壓裂液注入巖層中，巖層內水壓力不斷升高直至破裂產生裂縫。

3）完成第一次壓裂后進行排水卸壓，封隔器彈回孔內，拖動管柱使分隔器達到第二段壓裂位置，重復第二步。

4）不斷重復第二步第三步，直至定向長鉆孔內全部壓裂段施工完成，形成三維立體連續(xù)性巖層裂縫。

4.3 定向長鉆孔水力壓裂方案

結合模擬優(yōu)化得到的壓裂參數，設計I010206 工作面堅硬厚頂板定向長鉆水力壓裂方案：設計3 個壓裂鉆孔，其中，1 號孔水平投影距下順槽15 m，孔長502 m，壓裂段13 個；2 號孔位于工作面中部，孔長481 m，壓裂段13 個；3 號孔距上順槽10 m，孔長517 m，壓裂段14 個，總計鉆孔長度1 500 m，累計壓裂段共40 個，鉆孔設計平面圖如圖8 所示。由圖8可知，壓裂時先壓裂位于上順槽的3 號孔，其次壓裂1 號孔，最后壓裂中部的2 號孔。鉆孔具體施工流程為：1）Φ120 mmPDC 定向鉆頭+Φ89 mm 中心通纜式鉆桿，回轉鉆進12 m，換用Φ193/127 mmPDC 擴孔鉆頭將孔徑擴至193 mm，并下入Φ178 mm 孔口管8 m，下入套管后注漿固管；2）Φ120 mmPDC 定向鉆頭+Φ89 mm 五級孔底馬達+Φ89 mm 下無磁鉆桿+Φ89 mm 探管外管+Φ89 mm 上無磁鉆桿+Φ89 mm 中心通纜式鉆桿，按照設計定向鉆進至設計孔深（鉆進速度為0～0.3 m/min）。

圖8 鉆孔設計平面圖Fig.8 Design plan of drilling

5 定向長鉆孔水力壓裂技術應用效果

5.1 頂板微震事件分析

統(tǒng)計壓裂前后壓裂層位中粒砂巖及細粒砂巖發(fā)生微震事件的次數如圖9 所示。由圖9 可知，工作面回采進入壓裂影響區(qū)域后，微震總次數大幅降低，降幅達68.92%。中粒砂巖及細粒砂巖微震次數均有明顯下降，降幅分別為64.36%、69.50%，微震平均次數分別降低21.64%、32.90%。中粒砂巖微震次數占比呈現增長趨勢，增幅14.29%，細粒砂巖微震次數增幅基本不變。結果表明，中粒砂巖層通過水力壓裂弱化治理后，呈現高頻現象。

圖9 中粒砂巖和細粒砂巖發(fā)生微震事件統(tǒng)計Fig.9 Statistics of microseismic events in medium and fine grained sandstones

5.2 壓裂效果分析

工作面壓裂區(qū)域和未壓裂區(qū)域支架阻力如圖10所示。由圖10 可知，工作面由未壓裂區(qū)域進入壓裂區(qū)域后，上部支架阻力、中部支架阻力、下部支架阻力都有明顯降低，其中，上部支架阻力降低幅度最大，平均阻力由25.73 MPa 降低至24.12 MPa，降幅為6.26%；中部支架平均阻力由26.91 MPa 降至26.04 MPa，降幅為2.86%；下部支架平均阻力由25.36 MPa 降至24.18 MPa，降幅為4.65%。由圖10 還可以看出，壓裂區(qū)域來壓峰值明顯低于未壓裂區(qū)域，說明通過水力壓裂弱化頂板，基本上可以解決頂板懸頂難以垮落的問題，降低了頂板大規(guī)模斷裂造成的強來壓風險。

圖10 工作面不同位置支架阻力統(tǒng)計Fig.10 Statistics of support resistance at different positions on working face

6 結論

1）特厚緩斜煤層采后頂板垮落形態(tài)在傾向上呈現非對稱分布，因重點注意上方頂板控制。通過定向長鉆孔水力壓裂可降低堅硬頂板抗拉強度并促使其分層垮落從而減小其來壓步距。

2）壓裂孔周圍孔隙水壓力分布基本呈現橢球體型，在鉆孔軸向方向壓力值變化不大，沿徑向不斷衰減，孔隙壓力衰減至壓裂巖層強度時分別距鉆孔中心25 m 和36 m。隨著壓裂段間距增加，縫間互相影響效應減弱，注水量增加至35 m3后裂縫不再擴展。因此，合理的壓裂參數為起裂壓力17 MPa，鉆孔間距50～72 m，壓裂段間距30 m，單段注水量為35 m3。

3）在寬溝煤礦I010206 工作面堅硬厚頂板中布置三個超長鉆孔，總鉆孔長度1 500 m，壓裂段40 個，每個鉆孔采用復合定向鉆進技術，配合雙封單卡多點拖動管柱分段水力壓裂工藝進行壓裂，在厚硬頂板中形成三維立體連續(xù)性巖層裂縫。

4）壓裂后雙層厚硬頂板微震次數都出現顯著降低，中粒砂巖和細粒砂巖微震次數分別降低64.36%、69.50%。同時對比分析工作面支架阻力發(fā)現，壓裂后支架平均阻力最大降幅6.26%，同時來壓峰值明顯降低，說明通過定向水力壓裂基本上解決了頂板懸頂問題，有效降低工作面強礦壓風險。