綜放工作面頂板水力壓裂卸壓技術(shù)應(yīng)用

劉 斌，張 磊

(1.彬縣煤炭有限責(zé)任公司，陜西 彬州 713500；2.陜西華彬雅店煤業(yè)有限公司，陜西 彬州 713500)

0 引言

我國(guó)井工煤礦開(kāi)采中，通常采用全部垮落法管理采空區(qū)頂板。當(dāng)回采工作面上方存在一層或幾層厚度大、賦存穩(wěn)定、地質(zhì)堅(jiān)硬的巖層時(shí)，工作面回采過(guò)后，此類(lèi)頂板不易及時(shí)垮落，大面積懸露在采空區(qū)。一旦造成垮落，由于懸露面積大，層位高，往往具有強(qiáng)烈的來(lái)壓特性，容易產(chǎn)生明顯的颶風(fēng)，對(duì)工作面設(shè)備造成破壞，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)危及到人員自身安全[1]。

針對(duì)此類(lèi)頂板，早期主要通過(guò)爆破進(jìn)行處理，并輔助以注水軟化的方法，但該方法存在一定的缺點(diǎn)[2]。水力壓裂作為一種安全、經(jīng)濟(jì)、高效的頂板控制技術(shù)，已在煤礦得到了廣泛的推廣和應(yīng)用，并且與爆破等手段相比，可以彌補(bǔ)其不足之處，具有良好的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效益[3-5]。國(guó)內(nèi)針對(duì)水力壓裂技術(shù)開(kāi)展了大量的研究工作，主要包括堅(jiān)硬頂板控制，堅(jiān)硬頂煤弱化、提高煤層透氣性等，目前已經(jīng)在山西、陜西、內(nèi)蒙古等礦區(qū)進(jìn)行了大面積的推廣和應(yīng)用[6-9]。

為此，選擇具有典型堅(jiān)硬難垮頂板的雅店煤礦1403綜放工作面，通過(guò)對(duì)水力壓裂技術(shù)與工藝進(jìn)行分析，提出現(xiàn)場(chǎng)水力壓裂方案及相關(guān)參數(shù)，并對(duì)壓裂過(guò)程中的壓力曲線進(jìn)行分析，以期得出水力壓裂對(duì)工作面頂板的控制效果，為后期類(lèi)似工作面開(kāi)展水力壓裂提供依據(jù)。

1 工作面概況

雅店煤礦1403綜放工作面開(kāi)采4號(hào)煤層，煤層埋深417.85～632.29 m，厚度0.15～20.87 m，平均12.07 m；工作面長(zhǎng)度200 m，傾角6°左右。工作面鉆孔柱狀如圖1所示。

圖1 工作面鉆孔柱狀圖

2 水力壓裂技術(shù)與工藝

水力壓裂是指工程巖體由于在內(nèi)部高壓水壓力的作用下，導(dǎo)致原生裂縫重張或產(chǎn)生新的裂縫并持續(xù)擴(kuò)展的過(guò)程，鑒于其應(yīng)用領(lǐng)域的不同，也稱(chēng)為水壓致裂或水力劈裂[10-11]。該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于煤炭、石油、天然氣、地?zé)豳Y源等的開(kāi)發(fā)以及地應(yīng)力測(cè)量等相關(guān)領(lǐng)域。

2.1 常規(guī)壓裂鉆孔布置及參數(shù)

2.1.1 鉆孔布置

一般情況下，工作面壓裂鉆孔有單側(cè)布置和雙側(cè)布置2種布置方式，如圖2所示。采用雙側(cè)布置時(shí)，對(duì)頂板的弱化效果較好，且鉆孔長(zhǎng)度較小，垂高低，易施工，符合一般中部垮高大的規(guī)律。采用單側(cè)布置時(shí)，雖然減少了施工鉆孔數(shù)量，但是要求鉆孔比較長(zhǎng)，對(duì)施工質(zhì)量要求比較高，同時(shí)鉆孔加長(zhǎng)導(dǎo)致封孔器推進(jìn)困難，增加施工難度；根據(jù)堅(jiān)硬頂板的厚薄、層位的不同，可以設(shè)計(jì)多層鉆孔布置。

圖2 頂板水力壓裂鉆孔布置

2.1.2 鉆孔參數(shù)

鉆孔參數(shù)主要包括鉆孔間距、鉆孔直徑、仰角、深度等。其中，鉆孔間距根據(jù)壓裂半徑而確定，鉆孔直徑根據(jù)壓裂時(shí)使用的封孔器直徑進(jìn)行選擇，鉆孔的水平投影與巷道的水平夾角一般為70°～75°，一方面便于施工，另一方面使工作面回采過(guò)程中逐步進(jìn)入壓裂區(qū)域，鉆孔仰角則根據(jù)布置方式確定，按單層孔布置時(shí)一般較小，按雙層孔布置時(shí)，上層孔角度可適當(dāng)大一些，鉆孔深度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)柱狀圖、煤層厚度、采高等參數(shù)確定。

2.2 水力壓裂系統(tǒng)組成及工序

2.2.1 水力壓裂系統(tǒng)組成

水力壓裂系統(tǒng)主要包括進(jìn)水管路、高壓泵、高壓供水管路、壓力監(jiān)測(cè)儀、注水管、封孔器。

高壓泵：其作用是提供高壓水進(jìn)行壓裂，流量7.1 m3/h，額定壓力66 MPa。

高壓供水管路：連接高壓泵出水口與壓裂孔內(nèi)注水管尾部的通道。

壓力監(jiān)測(cè)儀：實(shí)時(shí)記錄壓裂過(guò)程中的壓力變化，并采用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

注水管：其作用主要有兩個(gè)。將封孔器推送至鉆孔的指定位置；作為注水通道對(duì)封隔的鉆孔段進(jìn)行注水壓裂。為了確保密封性，連接處采用“O”型圈進(jìn)行密封。

封孔器：由中心管和兩側(cè)封隔器組成。通過(guò)連桿將兩支封隔器相連，兩側(cè)封隔器膨脹后對(duì)壓裂段進(jìn)行密封，高壓水通過(guò)中心管注入中間壓裂段。

2.2.2 運(yùn)行工序

水力壓裂系統(tǒng)主要包含封孔、高壓水壓裂、保壓注水3項(xiàng)工序。水力壓裂過(guò)程中初期壓力會(huì)急劇上升，在高壓水的作用下起裂后壓力會(huì)有所下降，繼而進(jìn)入保壓階段，此時(shí)裂縫會(huì)持續(xù)向深部擴(kuò)展，同時(shí)產(chǎn)生新的裂縫，保證頂板巖層充分弱化和軟化。

2.3 頂板水力壓裂技術(shù)工藝

水力壓裂控頂技術(shù)需滿(mǎn)足快速實(shí)施要求，減小對(duì)工作面正?；夭傻母蓴_。與爆破控頂方法相比，安全性好，不會(huì)產(chǎn)生有毒有害氣體及震動(dòng)，水力壓裂控制煤礦堅(jiān)硬難垮頂板工藝過(guò)程如圖3所示。按照設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行鉆孔鉆進(jìn)，如圖3(a)所示。兩側(cè)封隔器加壓使膠筒膨脹，達(dá)到封孔目的，如圖3(b)所示。連接高壓泵，注水實(shí)施壓裂，如圖3(c)所示。

圖3 水力壓裂控制堅(jiān)硬頂板巖層示意

3 1403綜放工作面水力壓裂試驗(yàn)

3.1 設(shè)計(jì)原則與依據(jù)

水力壓裂技術(shù)可有效削弱頂板的完整性，使回采工作面頂板及時(shí)分層垮落。工作面上方巖層整體性強(qiáng)、強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好，需采取強(qiáng)制措施弱化頂板。工作面頂板卸壓水力壓裂設(shè)計(jì)及施工經(jīng)驗(yàn)。壓裂參數(shù)根據(jù)頂板巖層厚度、采高、頂煤厚度、頂板巖層結(jié)構(gòu)、頂板垮落步距等參數(shù)綜合確定。

3.2 水力壓裂方案設(shè)計(jì)

1403工作面水力壓裂鉆孔布置如圖4所示。試驗(yàn)段巷道長(zhǎng)度195 m，共布置壓裂孔A孔14個(gè)，B孔13個(gè)。其中，壓裂鉆孔-A，鉆孔長(zhǎng)度120 m，傾角為30°，壓裂終孔位置距孔口27 m；壓裂鉆孔-B，鉆孔長(zhǎng)度80 m，傾角50°，壓裂終孔位置距孔口17 m?？紤]到運(yùn)輸皮帶對(duì)膠運(yùn)順槽的影響，為便于施工，鉆孔角度與巷道軸向夾角為60°。

圖4 水力壓裂鉆孔布置

3.3 水力壓裂效果監(jiān)測(cè)

3.3.1 壓裂曲線

采用水力壓裂數(shù)據(jù)采集儀(水壓儀)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泵壓隨時(shí)間的變化過(guò)程，可對(duì)壓裂過(guò)程進(jìn)行診斷和分析，從而分析堅(jiān)硬難垮頂板水力壓裂特點(diǎn)，如圖5所示。圖5(a)為鉆孔水力壓裂過(guò)程中某一段的壓裂曲線，壓裂時(shí)間一般為30 min左右，可以看出壓裂初始時(shí)刻，壓力急劇上升，快速達(dá)到峰值點(diǎn)，此時(shí)巖石孔壁開(kāi)始產(chǎn)生破裂，出現(xiàn)裂縫，此階段稱(chēng)為裂縫起裂階段；隨后壓力曲線出現(xiàn)一定的下降后保持穩(wěn)定直到整個(gè)壓裂過(guò)程結(jié)束，在此階段裂縫能夠在相對(duì)恒定壓力的作用下不斷向深部擴(kuò)展，曲線呈現(xiàn)極其緊密的鋸齒狀，直到裂縫在巖層中有效擴(kuò)散或貫通。通過(guò)圖5(b)壓裂曲線可以看出，不同位置壓裂過(guò)程中的壓力變化幅度較小，最小壓力不低于30 MPa，最大壓力在45 MPa左右，壓裂過(guò)程中，裂縫在恒定壓力的作用下得到有效擴(kuò)散。

圖5 壓裂過(guò)程中壓力-時(shí)間變化曲線

3.3.2 支架壓力

在1403工作面回風(fēng)順槽進(jìn)行水力壓裂過(guò)后，工作面回采期間支架壓力統(tǒng)計(jì)示意圖，如圖6所示。工作面長(zhǎng)度為200 m，總計(jì)116架支架，其中回風(fēng)順槽側(cè)進(jìn)行水力壓裂處理范圍為56#～116#范圍內(nèi)支架。通過(guò)支架受力柱狀圖可以看出，個(gè)別支架由于上方頂煤比較破碎，導(dǎo)致受力偏大；整體來(lái)看，工作面進(jìn)行水力壓裂卸壓后，工作面靠近回風(fēng)順槽側(cè)支架受力明顯小于膠帶順槽一側(cè)，頂板卸壓效果比較明顯，能夠有效避免工作面回采過(guò)程中由于支架受力偏大導(dǎo)致的壓架現(xiàn)象，有利于工作面的安全回采。

圖6 工作面支架壓力示意

4 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)水力壓裂技術(shù)工藝進(jìn)行分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆孔柱狀圖，確定水力壓裂鉆孔參數(shù)及處理高度，確保對(duì)煤層上方堅(jiān)硬頂板巖層進(jìn)行充分處理，達(dá)到壓裂卸壓的目的。

(2)現(xiàn)場(chǎng)壓裂曲線表明，在壓裂初期，壓力快速上升，裂縫存在明顯的起裂階段，此階段壓力較大，隨后在相對(duì)恒定壓力的作用下，裂縫向深部擴(kuò)展，曲線呈現(xiàn)緊密的鋸齒狀，且壓裂過(guò)程中壓力基本在30 MPa以上。

(3)根據(jù)工作面支架受力分析可以得知，水力壓裂技術(shù)能夠有效弱化頂板，改善工作面支架受力狀況，有效提升礦井工作面頂板管理水平，減小或消除堅(jiān)硬頂板對(duì)工作面回采的危害。