烏蘭木倫煤礦初次放頂水力壓裂技術(shù)應(yīng)用研究

陳佩東

摘 要：文章根據(jù)神東礦區(qū)烏蘭木倫煤礦頂板巖層強度不高、厚度較大、穩(wěn)定性和整體性較好的特點，針對該礦工作面回采之后頂板無法自然垮落的問題，在該煤礦31409工作面初次放頂中，開展了水力壓裂技術(shù)的設(shè)計、施工、監(jiān)測等方面的應(yīng)用研究。應(yīng)用結(jié)果顯示，在實施水力壓裂工藝后，31409工作面初次垮落過程未形成沖擊， 未對工作面的采煤工作產(chǎn)生影響， 安全地實現(xiàn)了工作面的初采， 水力壓裂控頂技術(shù)應(yīng)用達到了預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：煤礦；初次放頂；水力壓裂

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.041

1 前言

我國大部分煤礦采空區(qū)頂板無法隨工作面推進及時垮落，如果遇到巖石強度高、節(jié)理裂隙不發(fā)育、厚度大、整體性強、自承能力強等條件的頂板巖層，煤層開采后采空區(qū)頂板大面積懸露在采空區(qū)，短期內(nèi)不垮落；一旦垮落，將會產(chǎn)生大面積、大高度的一次性垮落，這將產(chǎn)生強烈的周期性來壓。經(jīng)過監(jiān)測分析，神東礦區(qū)烏蘭木倫煤礦工作面初次來壓步距一般為40-70m。工作面初采時，90%以上的工作面需要實施爆破強制放頂，否則易造成工作面頂板大面積懸空，一次性垮落時往往伴隨強烈的動力現(xiàn)象，造成設(shè)備損壞、危及人身安全等惡性事故，嚴(yán)重影響礦井的安全生產(chǎn)。

2 水力壓裂技術(shù)及工藝

2.1 水力壓裂技術(shù)

水力壓裂（Hydraulic Fracturing）是指在鉆孔過程中由于受到內(nèi)部液體壓力頂板發(fā)生開裂并且裂紋向周圍擴展的過程。水力壓裂可應(yīng)用的領(lǐng)域范圍較廣，因此還被叫做水壓致裂、水力劈裂。目前在我國該技術(shù)廣泛應(yīng)用于石油開發(fā)開采、天然氣開采或地?zé)衢_發(fā)利用以及放射性廢物的環(huán)保處理、地應(yīng)力的及時測量等方面。

水力壓裂技術(shù)是指采空區(qū)放頂時需要控制水力壓裂裂紋擴展方向，進而控制鉆孔時控制壓裂預(yù)制裂縫的擴展速度和方向。該技術(shù)對堅硬頂板的控制效果良好，削弱頂板的強度和整體性，尤其是能夠有效壓裂和軟化。在采空區(qū)頂板放頂能夠在垮落時能夠分層分階段的進行，可以使垮落時的壓力有效降低，進而減小或消除頂板垮落的危害，使頂板能夠達到自然垮落的效果。

2.2 水力壓裂控頂技術(shù)特點

（1）與傳統(tǒng)水力壓裂作業(yè)不一樣的是該種技術(shù)能夠適應(yīng)比較堅硬難垮的頂板，這種技術(shù)必須在井下進行，作業(yè)條件比較苛刻，存在一些問題比如作業(yè)空間狹小等。

（2）水力壓裂控頂技術(shù)必須適應(yīng)于當(dāng)前對作業(yè)快速實施的要求，這是因為目前的煤炭開采多使用長壁式綜合機械，在開采時進程速度比較快，因而頂板要及時垮落。

（3）在正常進行煤炭開采時，水力壓裂控頂技術(shù)對其影響較小可以忽略不計。

（4）相比于傳統(tǒng)的爆破控頂，水力壓裂控頂技術(shù)的安全性要更好，鉆孔數(shù)目也不必過多，使得頂板垮落速度較快。

2.3 水壓壓裂工藝過程

水力壓裂控制煤礦堅硬難垮頂板工藝過程如下。

（1）利用普通鉆頭，在巷道頂板堅硬巖層中鉆孔，鉆進至堅硬巖層需要壓裂段后停止鉆進。其中，鉆孔角度及長度根據(jù)堅硬巖層厚度、工作面長度確定。鉆機施工過程中嚴(yán)格按照鉆機操作規(guī)程施工。

（2）將普通鉆頭換為可預(yù)制橫向切槽的特殊鉆頭，在水力壓裂段預(yù)制橫向切槽。是否開槽以及開槽次數(shù)、開槽位置根據(jù)頂板強度和結(jié)構(gòu)確定。

（3）普鉆加深。退出橫向切槽鉆頭，利用普通鉆頭繼續(xù)在鉆孔中鉆進一段距離，為壓裂段封孔提供空間。

（4）將垮式鉆孔封隔器和注水管推進至水力壓裂段。

（5）利用手動泵為封隔器加壓使膠筒膨脹，達到封孔目的；手動泵封孔所需壓力一般為10-20MPa左右。

（6）將高壓泵與注水管連接，開啟高壓泵直至壓裂完成。壓裂過程嚴(yán)格按照壓裂要求實施。

3 31409工作面初次放頂頂板水力壓裂設(shè)計

在烏蘭木倫煤礦，初次放頂頂板水力壓裂技術(shù)首先應(yīng)用在31409綜采工作面，該工作面切眼分為切眼I和切眼II，傾向長度均為147.5m。采高4.2m，煤層結(jié)構(gòu)簡單。

3.1 設(shè)計原則與設(shè)計依據(jù)

（1）設(shè)計原則：水力壓裂技術(shù)可有效控制工作面頂板初次垮落，最大程度削弱頂板的整體性，使得工作面頂板呈分層及時垮落。水力壓裂技術(shù)有效控制頂板的同時，避免給工作面的正?；夭蓭碛绊?，避免由于過度壓裂和軟化導(dǎo)致工作面頂板維護困難，避免由于水力壓裂給頂板管理帶來困難，避免其它可能的災(zāi)害。

（2）工作面老頂厚度較大，整體性強、穩(wěn)定性好，初次垮落需采取強制措施。

（3）根據(jù)理論分析、煤層厚度、頂板巖層厚度，巖層結(jié)構(gòu)。

（4）工作面難垮頂板水力壓裂初次放頂設(shè)計及施工經(jīng)驗。

（5）上述地質(zhì)資料較為簡單，施工前在切眼頂板進行巖層結(jié)構(gòu)窺視和圍巖強度測試（切眼范圍選取3個測點），根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計與施工。

（6）工作面安裝后對切眼支護退錨，保證頂板及時順利垮落。

3.2 初次放頂頂板水力壓裂設(shè)計

（1）根據(jù)鉆孔位置的不同，鉆孔布置為：在切眼I布置壓裂鉆孔L（L1-L8，共8個）和壓裂鉆孔S（S1-S7，共7個），垂直煤壁布置；在切眼I順槽布置壓裂鉆孔S（S8-S13共6個）；在切眼II布置壓裂鉆孔L（L1-L8，共8個）和壓裂鉆孔S（S1-S8，共8個）；在切眼II順槽布置壓裂鉆孔S（S9-S11，共3個）垂直煤壁布置布置。

（2）在切眼順槽分別布置B（1，2）孔。鉆孔進尺總計：600m（24個S孔）+544m（16個L孔）+152m（3個B孔）=1296m。

鉆孔參數(shù)為：

壓裂鉆孔-S，鉆孔長度25m，傾角為40°；

壓裂鉆孔-L，鉆孔長度34m，傾角為15°；

壓裂鉆孔-B1，鉆孔長度53m，傾角為20°；

壓裂鉆孔-B2，鉆孔長度46m，傾角為30°。

（3）施工順序。首先進行壓裂-L的鉆孔和壓裂施工，完成后再進行S孔的鉆進與壓裂作業(yè)。壓裂鉆孔-B是在工作面頂板懸頂面積較大時再實施壓裂（鉆孔提前施工）。鉆孔施工采用ZDY650鉆機及配套鉆機平臺，見下圖，鉆頭直徑56mm。

將封孔器推入孔底后，每隔3m壓裂一次（根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整），S孔預(yù)計壓裂6次，L孔預(yù)計壓裂8次，根據(jù)窺視，巖層有水平層理，壓裂后裂縫沿水平方向擴展，最后一次壓裂位置距離煤層2m以上，防止切頂與架前漏頂事故發(fā)生，保證工作面回采安全。

（4）鉆孔注水壓裂。封孔器的安裝：連接安裝封孔器，然后接靜壓水對封孔器進行排氣、試壓，保證運作正常，通過高壓膠管將連接好的手動泵和儲能器與封孔器連接，連接處“O”型密封圈密封，連接采用快速連接方式。

高壓水泵的調(diào)試：高壓泵型水泵電機功率為90KW，配備相應(yīng)的防爆開關(guān)，給水泵接電；水泵進水口接靜壓水，出水口連接高壓膠管，高壓膠管的另一端連接注水鋼管；檢查各個連接處，連接無誤后給高壓水泵先通水再通電，調(diào)整正反轉(zhuǎn)，觀測水泵是否正常運作。

4 水力壓裂施工工藝及應(yīng)用效果

4.1 礦壓觀測

（1）工作面礦壓觀測區(qū)的設(shè)置。回采工作面所有支架PM32和立柱壓力表上均能顯示工作面支架的工作阻力，故在初采初放期間，每推進一個循環(huán)對支架的工作阻力進行一次記錄。

回采工作面及端頭巖層垮落量與垮落步距統(tǒng)計，每推進一個循環(huán)對頂板的垮落情況進行一次記錄。

（2）工作面礦壓的觀測方法。采用支架初撐力及支架工作阻力與工作面推進距離的關(guān)系的觀測方法，即支架移架后，讀出支架PM32控制器上壓力傳感器讀數(shù)為支架初撐力；當(dāng)采面經(jīng)過一個循環(huán)后采煤機割煤前可從PM32控制器或壓力表上立即讀出最大工作阻力。

安排專人進行頂板垮落情況統(tǒng)計，每推進一個循環(huán)記錄一次。

（3）工作面礦壓觀測的內(nèi)容。工作面頂板垮落量與垮落范圍統(tǒng)計，支架的阻力觀測、支架活柱伸縮量的觀測、巷道圍巖變形觀測（記錄宏觀變化）、巷道圍巖表面位移觀測（記錄宏觀變化）、順槽超前支護單體液壓支柱阻力觀測、支護質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測。

（4）工作面礦壓觀測所需的分析內(nèi)容。根據(jù)觀測結(jié)果對水力壓裂弱化頂板巖層的效果、壓裂后工作面頂板活動規(guī)律、來壓特征、工作面支架受力特點、支架對頂板的適應(yīng)性及控制效果、超前支撐壓力影響范圍和分布特點、頂板穩(wěn)定性、工作面支護質(zhì)量等進行分析。

4.2 水力壓裂效果監(jiān)測

水力壓裂效果的監(jiān)測可根據(jù)臨近鉆孔出水情況判斷壓裂范圍，在初采過程中觀測支架受力狀況、頂板來壓步距，通過與爆破放頂對比分析礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，評價水力壓裂控制頂板的效果。

完成水力壓裂的鉆孔可作為下一個壓裂鉆孔的觀測孔。如果在壓裂時發(fā)現(xiàn)觀測鉆孔中有水，這時要拉開壓裂鉆孔之間的距離，沒有發(fā)現(xiàn)觀測鉆孔中有水，這時要減小壓裂鉆孔之間的距離；

工作面礦壓監(jiān)測設(shè)計。進行“三量”（即頂?shù)装逡平俊⒅е钪驴s量、支架載荷）測量并整理數(shù)據(jù)，從而評價水力壓裂效果。

5 總結(jié)

（1）烏蘭木倫煤礦采空區(qū)頂板巖層水力裂縫的最大范圍為20至35m。

（2）烏蘭木倫煤礦水力壓裂技術(shù)采用的高壓水的壓力為8～22MPa，水的流量約為80L/ min。通過監(jiān)測可知，工作面推進10m左右后采空區(qū)頂板全部直接垮落，推進40m左右后基本頂垮落完成。

（3）采用水力壓裂技術(shù)對采空區(qū)頂板巖層進行弱化后，頂板垮落過程未對工作面產(chǎn)生沖擊和影響。

參考文獻：

[1]孫連勝，齊海清，馮彥軍等.水力壓裂技術(shù)在錦界煤礦初次放頂中的應(yīng)用[J].煤礦開采，2015，20（06）：97-100.

[2]閆少宏，寧宇，康立軍等.用水力壓裂處理堅硬頂板的機理及實驗研究[J].煤炭學(xué)報，2000，25（01）：32-35.