東周窯煤業(yè)綜放工作面頂煤水力壓裂技術研究

蘇 鵬

(晉能控股集團 同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，山西 大同 037100)

1 工程概況

晉能控股煤業(yè)集團同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司位于山西省大同市左云縣玉奎堡村，目前主采的C5號煤層地面標高1 315～1 370 m，工作面標高910～990 m，煤層厚度為7.81～17.1 m，平均厚度10.92 m，含3～8層夾矸，煤層傾角為1～8°，平均傾角為4°。頂底板巖性如表1所示。

表1 煤層頂底板巖性

由于C5號煤層厚度較大，設計采用放頂煤工藝進行回采。經過現場試驗，發(fā)現頂煤冒放性較差，因此提出采用架間定向水力壓裂的方法，對難放頂煤進行預裂，以提高頂煤冒放性[1-5]。以東周窯煤業(yè)C5號煤層正在回采的8207工作面為工程背景，設計技術方案并進行工業(yè)性試驗。

2 難放頂煤架間水力壓裂方案設計

2.1 水力壓裂孔參數的確定

根據現場鉆孔資料可知，工作面上覆頂煤在0～4.5 m范圍內裂隙較為發(fā)育，而4.5 m以上區(qū)域裂隙較少，頂煤較為完整，因此計劃采用水力壓裂的方法對4.5 m以上頂煤進行壓裂。根據東周窯煤業(yè)C5煤層賦存特點及工程力學性質，確定水力壓裂范圍為1 m，設計對一個水力壓裂孔分別在6.5 m位置和7.5 m位置進行兩次水力壓力，綜合考慮現場施工的便捷性，水力壓裂鉆孔與水平方向的夾角設計為70°。

水力壓裂孔布置間距主要取決于水力壓裂的擴展半徑，由于回風巷機械設備較少，因此選擇在8207回風巷進行現場水力壓裂試驗，用于確定合理的水力壓裂鉆孔間距。如圖1所示，在8207回風巷布置6個鉆孔，其中1號、2號、4號、5號鉆孔為觀測孔，用于觀測水力壓裂情況，深度為6.4 m；3號和6號鉆孔為試驗孔，用于水力壓裂試驗，深度為8 m，鉆孔間距設計為5 m。

圖1 水力壓裂試驗孔布置示意

通過現場試驗，水力壓裂的壓力為17.1～19.6 MPa，注水時間為20 min，水力壓裂孔注水量為0.42 m3。根據現場已施工錨桿出水情況判斷，水力壓裂范圍超過16 m。綜合考慮工作面鉆孔壓裂情況，為保證水力壓裂效果，水力壓裂半徑設計為10臺液壓支架，即水力壓裂半徑取15 m，水力壓裂時高壓注水壓力取17～20 MPa。

2.2 水力壓裂孔布置方案

工作面回采期間，發(fā)現130～168號支架后方頂煤塊度大，因此選取這一區(qū)域進行初期水力壓裂試驗，綜合考慮現場施工條件，水力壓裂孔布置如圖2所示。在130號、140號、150號、160號液壓支架后方施工水力壓裂孔并進行水力壓裂，開橫切槽位置為頂煤6.5 m及7.5 m處。

圖2 水力壓裂孔

為確保水力壓裂效果，由于頂煤完整區(qū)域對高壓水保壓效果較好，因此水力壓裂孔應布置在這一區(qū)域，水力壓裂孔與水平方向夾角設計為70°，向工作面前方傾斜。

3 現場試驗

3.1 施工工藝流程

工作面液壓支架架間水力壓裂施工工藝主要分為三大步驟：

1) 水力壓裂鉆孔施工。在工作面前方施工水力壓裂孔，水力壓裂孔與水平方向夾角為70°，深度為7.5～8.7 m，直徑為50 mm。

2) 水力壓裂孔內壓裂切槽施工。水力壓裂孔施工完畢后，用開槽鉆頭進行壓裂切槽的施工，按設計在水力壓裂孔6.5 m和7.5 m位置施工壓裂切槽，具體壓裂切槽的施工位置可根據頂煤賦存狀態(tài)進行調整。

3) 封孔及高壓注水壓裂。利用封孔器進行封孔，其中封孔范圍應超過頂煤破碎帶范圍，封孔完畢后進行高壓注水壓裂，為保證水力壓裂效果，一定要將孔封死，避免卸壓。

3.2 頂煤弱化效果分析

1) 水力壓裂區(qū)域礦壓顯現規(guī)律分析。工作面回采過程中，對頂煤水力壓裂前后工作面液壓支架工作阻力進行現場監(jiān)測，監(jiān)測曲線如圖3所示。

圖3 工作面液壓支架工作阻力分布

如圖3(a)所示，水力壓裂前，工作面中上部液壓支架工作阻力明顯較大，而水力壓裂區(qū)域的130～160號液壓支架工作阻力普遍較小，基本在1 000～4 000 kN范圍內；如圖3(b)所示，水力壓裂后，130～160號液壓支架工作阻力明顯增大，基本在5 000～7 000 kN范圍內。由此可見，對頂煤水力壓裂后，增加了頂煤內部裂隙發(fā)育程度，當工作面向前推進時，頂煤能夠及時垮落，增大了上覆巖層活動空間，頂板巖層變形、垮落范圍隨之增大，導致相應區(qū)域內工作面液壓支架工作阻力明顯增大。

3.3 水力壓裂前后頂煤破碎狀態(tài)分析

為掌握水力壓裂效果，對水力壓裂前后頂煤塊度、放煤量及頂煤回收率進行了統(tǒng)計，結果表明：水力壓裂前，支架后放出的頂煤塊度較大，而水力壓裂后，支架后放出的頂煤塊度明顯減??；水力壓裂前，130～160號液壓支架范圍內，每米放煤量為1 635 t，水力壓裂后，130～160號液壓支架范圍內，每米放煤量為2 017 t，提升了23.4%；水力壓裂前，130～160號液壓支架范圍內，頂煤回收率為54.42%，水力壓裂后，130～160號液壓支架范圍內，頂煤回收率為73.69%，提升了19.27%.說明水力壓裂后，增大了頂煤裂隙發(fā)育程度，放煤高度增大，頂板上覆巖層活動空間也隨之增大，頂板上覆巖層變形、破斷后對頂煤的破煤效果更好，多方面提升了頂煤的冒放性。因此，水力壓裂后，水力壓裂范圍內，頂煤塊度變小，放煤量及頂煤回收率均明顯增加。

4 結 語

本文針對東周窯煤業(yè)C5號煤層厚度大，采用放頂煤開采時頂煤冒放性較差的問題，提出采用水力壓裂的方法，提升頂煤冒放性，采用理論分析及現場試驗的方法，確定對工作面130～168號液壓支架范圍內頂煤進行水力壓裂，水力壓裂孔與水平方向夾角為70°，深度為7.5～8.7 m，直徑為50 mm，壓裂切槽在水力壓裂孔6.5 m及7.5 m位置，水力壓裂為高壓注水壓力，取17～20 MPa。最終選取8207工作面為工程背景進行現場試驗，結果表明：水力壓裂后，支架后方頂煤塊度明顯變小，水力壓裂范圍內，每米放煤量提升了23.4%，頂煤回收率提升了19.27%，效果顯著。