潞寧煤業(yè)3號煤層堅(jiān)硬頂板水力壓裂技術(shù)研究與應(yīng)用

張志軍

（潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 寧武036700）

1 工程概況

山西潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限公司3號煤層位于大同組上段三亞段，煤層厚度為1.58～2.46 m，平均厚度為2.16 m，平均傾角為12°，結(jié)構(gòu)簡單，屬穩(wěn)定可采煤層；煤層直接頂為砂巖泥巖，基本頂為細(xì)粒砂巖。31101工作面位于井田東北方，工作面傾斜長度為159.3 m，走向可采長度為1 035 m，采用綜合機(jī)械化開采，煤層頂?shù)装鍘r層特征如圖1所示，基本頂巖層為細(xì)粒砂巖，平均厚度為6.5 m，巖層堅(jiān)硬、致密完整，為防止工作面回采作業(yè)時，基本頂懸頂距離過長造成礦壓顯現(xiàn)，需在回采前對頂板巖層進(jìn)行預(yù)裂，有效控制頂板垮落，特進(jìn)行水力壓裂技術(shù)研究分析。

圖1 工作面頂?shù)装鍘r層柱狀圖

2 水力壓裂裂縫的起裂機(jī)理

2.1 初次裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力場分布

在采用壓裂鉆孔進(jìn)行壓裂作業(yè)時，其鉆孔內(nèi)形成的裂縫主要為橫向裂縫，垂直于鉆孔方向，故在進(jìn)行裂縫形成的誘導(dǎo)應(yīng)力場研究時，建立各項(xiàng)同性和均質(zhì)的平面應(yīng)變模型，該模型的基本假設(shè)為裂縫的縱向剖面呈現(xiàn)為橢圓形、其形態(tài)主要為垂直方向的裂縫，現(xiàn)采用H/2對裂縫一半的高度進(jìn)行表示，將x軸放置在長鉆孔的方向，y軸放置在裂縫的高度方向，建立圖2的水力裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力場幾何模型。定義拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。

圖2 水力裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力場幾何模型

初次裂縫在長鉆孔周圍某質(zhì)點(diǎn)（x，y，z）處產(chǎn)生的誘導(dǎo)正應(yīng)力和剪切應(yīng)力大小為：

式中部分符號的具體計(jì)算公式如下：

2.2 長鉆孔周圍地應(yīng)力分布研究

長鉆孔周圍地應(yīng)力分布研究，原始地層應(yīng)力系統(tǒng)主要由3個相互垂直的應(yīng)力構(gòu)成，分別是：垂向上上覆地層產(chǎn)生的應(yīng)力σv、水平方向上的最大水平主應(yīng)力σH和最小水平主應(yīng)力σh。原始應(yīng)力場和誘導(dǎo)應(yīng)力場分布示意圖見圖3。

圖3 初始裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力下的地應(yīng)力分布

根據(jù)圖3所建立的初始裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力下的地應(yīng)力分布模型，復(fù)合應(yīng)力場的分析通過原始應(yīng)力場和誘導(dǎo)應(yīng)力場的疊加進(jìn)行分析，結(jié)合彈性力學(xué)相關(guān)應(yīng)力疊加方面的理論[3-4]，能夠推導(dǎo)出鉆孔壁處力學(xué)模型的表達(dá)各方向應(yīng)力的表達(dá)式為：

在水平剖面上建立垂直于長鉆孔截面的柱坐標(biāo)系，分析鉆孔壁處應(yīng)力分布狀態(tài)。

1）長鉆孔內(nèi)壓引起的應(yīng)力分量:進(jìn)行水力壓裂的過程中，具有一定壓力的水會產(chǎn)生一定的內(nèi)壓，進(jìn)行使得鉆孔周圍的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，通過模型理論分析能夠得出由于內(nèi)壓引起的應(yīng)力分量表達(dá)式為：

2）復(fù)合應(yīng)力引起的應(yīng)力分量:3個復(fù)合應(yīng)力σ'ν、σ'H和σ'h會在井壁上產(chǎn)生應(yīng)力分量，這3個應(yīng)力在鉆孔壁上形成的應(yīng)力分量為：

3）壓裂液滲流效應(yīng)引起的應(yīng)力分量:壓裂作業(yè)過程中，由于壓裂液向地層濾失而產(chǎn)生的應(yīng)力分量為：

應(yīng)用疊加原理，考慮井筒內(nèi)壓、復(fù)合應(yīng)力場和壓裂滲流效應(yīng)綜合作用下的井壁應(yīng)力場模型為：

2.3 誘導(dǎo)應(yīng)力場中的裂縫起裂分析

當(dāng)采用水力壓裂技術(shù)進(jìn)行壓裂作業(yè)時，水壓作用下煤巖體主要會由于所受的拉應(yīng)力超過其極限抗拉強(qiáng)度而產(chǎn)生拉伸破壞，在煤巖體內(nèi)原本即存在一定的弱結(jié)構(gòu)面時，則在巖體原本弱結(jié)構(gòu)面的位置處其抗壓強(qiáng)度可視為0。鉆孔壁面上z-θ平面上，水力壓裂在煤巖體在壁面上產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力即為最大主應(yīng)力與孔隙壓力的差值，當(dāng)其等于或大于巖石抗拉強(qiáng)度時，鉆孔壁處巖石開始發(fā)生斷裂[5-6]，即

當(dāng)?shù)忍柍闪r，即為裂縫起裂時需要的最小破裂壓力。假設(shè)：q=0°，長鉆孔沿著最小主應(yīng)力方向布置，此時鉆孔壁應(yīng)力場模型為：

壓力：

3 水力壓裂方案及效果

3.1 水力壓裂方案

根據(jù)31101工作面的地質(zhì)條件，結(jié)合水力壓裂裂縫的起裂機(jī)理的分析可知，在超前工作面的一定范圍內(nèi)進(jìn)行水力壓裂時，此時壓裂鉆孔的應(yīng)力狀態(tài)接近原巖應(yīng)力，進(jìn)而可對水力壓裂裂紋進(jìn)行預(yù)測與控制；當(dāng)在靠近工作面的區(qū)域進(jìn)行水力壓裂時，此時壓裂鉆孔的應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜，無法合理的控制壓裂鉆孔裂紋的擴(kuò)展，基于此確定工作面水力壓裂的范圍為超前工作面50～170 m。

本次水力壓裂方案中，設(shè)計(jì)壓裂鉆孔分為3類，分別命名為A類、B類和C類，A類和B類鉆孔布置在工作面進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)，C類鉆孔布置在回風(fēng)巷內(nèi)，具體3類鉆孔參數(shù)見表1：

表1 水力壓裂鉆孔參數(shù)表

另外在工作面水力壓裂期間為觀測各類壓裂鉆孔的壓裂效果，分別在水平距離3類鉆孔2 m的位置處打設(shè)觀察孔，觀察孔的各項(xiàng)參數(shù)見表2。

表2 水力壓裂觀測孔參數(shù)表

具體31101工作面水力壓裂鉆孔和觀測鉆孔的布置形式如圖4所示。

圖4 水力壓裂鉆孔及觀測布置形式示意圖

在進(jìn)行水力壓裂作業(yè)時，為實(shí)現(xiàn)基本頂巖層的充分預(yù)裂，基于細(xì)粒砂巖的力學(xué)參數(shù)和壓裂設(shè)備特征，確定注水壓力為30 MPa，壓裂鉆孔打設(shè)完畢后，具體水力壓裂的施工順序如下所述：安裝水壓儀和封孔器并調(diào)試→注水壓裂施工→提升注水壓力至10 MPa，觀察封孔情況→若封孔正常、繼續(xù)提升水壓力至設(shè)定30 MPa進(jìn)行水力壓裂作業(yè)→當(dāng)壓力表數(shù)據(jù)突然下降時、進(jìn)行保壓注水直至圍巖表面滲水后，即表明單孔水力壓裂完成→斷電停水、封孔器卸壓進(jìn)行下一鉆孔壓裂作業(yè)。

3.2 效果分析

在每個鉆孔進(jìn)行水力壓裂時，對壓裂層位、加壓時間、保壓時間、注水量等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測記錄結(jié)果能夠得出各類鉆孔的壓裂數(shù)據(jù)見表3。

分析表3可知，對于巖性相同的巖層，隨著壓裂深度的增大，其所需要的加壓和保壓時間也隨之增加，針對不同巖性的巖層，影響壓裂鉆孔加壓時間的主要因素為巖層性質(zhì)。

表3 壓裂鉆孔壓裂數(shù)據(jù)記錄表

為有效分析工作面采用水力壓裂技術(shù)預(yù)裂頂板后的效果，現(xiàn)在通過對比本工作面與相鄰工作面間的液壓支架工作阻力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，相鄰工作面的支護(hù)阻力數(shù)據(jù)如圖5a），本工作面的支護(hù)阻力數(shù)據(jù)如圖5b）。

圖5 水力壓裂前后支架工作面阻力曲線圖

分析圖5可知，相鄰工作面未采用水力壓裂預(yù)裂頂板時，工作面初次來壓步距為55 m，周期來壓步距為20 m；31101工作面采用水力壓裂預(yù)裂頂板后，基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄嗫s短為35 m，周期來壓步距縮短為15 m，且工作面的來壓強(qiáng)度也明顯降低；另外從資料數(shù)據(jù)和本工作面回采時的現(xiàn)場觀測可知，相鄰工作面直接頂?shù)某醮慰迓洳骄酁?8 m，而31101工作面采用水力壓裂預(yù)裂后，直接頂?shù)目迓洳骄嗉s為12 m?；谏鲜龇治隹芍?，工作面采用水力壓裂預(yù)裂頂板后，工作面回采期間的礦壓得到了有效降低。

4 結(jié)論

根據(jù)31101工作面頂?shù)装鍘r層特征，通過分析水力壓裂裂縫的起裂機(jī)理，得出水力壓裂時煤巖體裂縫破裂壓力表達(dá)式，結(jié)合工作面地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)水力壓裂鉆孔有3類，并對水力壓裂方案中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，通過對比水力壓裂前后支架工作阻力曲線，得出水力壓裂方案實(shí)施后，有效減小了工作面回采期間的壓力顯現(xiàn)，為工作面的安全高效回采提供了保障。