厚硬頂煤多維水力壓裂增加冒放性技術(shù)

李良偉，武文賓，孫 朋，潘雪松

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037； 2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037)

放頂煤開采是針對厚煤層及特厚煤層，將原來需要多次分層開采的煤炭一次性開采出來，具有產(chǎn)量高、成本低、工程量小等特點。但煤層強度f值大于3和頂板強度f值大于10的兩硬特厚煤層，在回采期間頂煤難以正常冒落回收[1-3]，浪費了大量的煤炭資源。因此出現(xiàn)了采用深孔預(yù)裂爆破、高能氣體致裂等技術(shù)增加頂煤冒放性的方法[4-9]。隨著對火工品的限制，爆破方法被逐漸棄用，水力壓裂在煤體中增加裂隙的同時能提高煤體含水率，當含水率大于某一數(shù)值時，煤體強度得到一定程度的弱化，頂煤容易冒放，當含水率每提高1%，煤體強度降幅為7%～10%，當含水率達到6%以上，煤體強度降幅收窄[10-11]。因此可通過水力壓裂工藝降低頂煤的煤體強度，提高裂縫發(fā)育情況，繼而實現(xiàn)提高頂煤放出率的目的[12-15]，減少煤炭資源損失。

本文試驗在布置超前水力壓裂鉆孔的同時布置工作面支架間水力壓裂鉆孔，并按一定順序進行水力壓裂。該水力壓裂方法中超前水力壓裂覆蓋范圍大，能使頂煤有足夠時間被浸潤軟化降低強度，支架間水力壓裂范圍小，但能夠解決工作面兩端頭難冒落問題，兩者互補實現(xiàn)整個頂煤全覆蓋，從而使整個頂煤在回采期間更容易冒落且減少大塊率。

1 頂煤壓裂試驗條件及試驗方法

1.1 試驗工作面煤層情況

新疆紅三溝煤炭有限責(zé)任公司紅三溝煤礦位于昌吉州呼圖壁縣，其11501工作面走向長度952 m，傾向長度200 m，采用綜采放頂煤后退式開采5#煤層，測定的原始煤層含水率為3.2%，埋深370 m，普氏系數(shù)f=1.0～1.5，煤層堅硬且內(nèi)生裂隙不發(fā)育。煤層平均厚度為12 m，機采高度2.6 m，未采取措施的頂煤冒放高度僅為3～4 m，即使冒放后形成大塊也無法被刮板輸送機運出，浪費了煤炭資源。

1.2 水力壓裂鉆孔參數(shù)及施工順序

圖1和圖2為頂煤水力壓裂鉆孔布置平面圖和剖面圖。由圖1和圖2可知，開采前在回風(fēng)順槽垂直巷幫向預(yù)開采的煤層布置超前水力壓裂鉆孔，鉆孔直徑為94 mm，3個超前水力壓裂鉆孔為1組，每組鉆孔又分別包括上壓裂鉆孔H1、中間壓裂鉆孔H2、下壓裂鉆孔H3，組內(nèi)鉆孔間隔布置，組內(nèi)鉆孔間距為a=5 m，相鄰鉆孔組間距為b=10 m。該方式布置水量壓裂鉆孔的目的是盡量擴大每個鉆孔的壓裂有效空間，同時減少鉆孔間的干擾，再按照H1-H3-H2的施工順序與壓裂順序及互相避讓的封孔位置，保證壓裂時鉆孔間串孔幾率小，以有效提升壓裂持續(xù)時間，保證有效壓入水量。

回采過程中，當工作面推進至液壓支架處于兩組超前水力壓裂鉆孔中間位置時，鉛垂向上施工2個支架間水力壓裂鉆孔，鉆機直徑94 mm，分別為上端頭支架間水力壓裂鉆孔J1和下端頭支架間水力壓裂鉆孔J2，開孔位置分別與上下端頭支架的距離為煤層厚度h=12 m，鉆孔參數(shù)見表1。

圖1 頂煤水力壓裂鉆孔布置平面圖Fig.1 Layout diagram of top coal fracturing boreholes

圖2 頂煤水力壓裂鉆孔布置剖面圖Fig.2 Schematic diagram of top coal fracturing borehole layout section

表1 鉆孔參數(shù)表Table 1 Drilling parameters

1.3 頂煤壓裂工藝

圖3為頂煤壓裂流程。由圖3可知，頂煤壓裂整體按照獲取工作面煤層參數(shù)、設(shè)計施工超前鉆孔并壓裂、設(shè)計施工支架間鉆孔并壓裂等流程進行。超前水力壓裂鉆孔與工作面回采工序無關(guān)聯(lián)，盡量提前進行，使得水有足夠的時間浸潤煤體從而降低煤體強度。

圖3 工作面頂煤壓裂流程Fig.3 Top coal fracturing process of working face

1.3.1 頂煤超前水力壓裂工藝

采用MKY80型原液膨脹式封隔器進行封孔壓裂，封隔器和篩管實物如圖4所示，封隔器外直徑80 mm，承壓70 MPa。封隔器結(jié)構(gòu)主要由上下接頭、中間管和膠筒組成，壓裂時，壓裂液經(jīng)過壓裂管由上接頭進入封隔器的中間管，此時，具有一定壓力的壓裂液經(jīng)中間管上的進液槽進到膠筒內(nèi)腔，使膠筒脹大，封隔器和孔壁貼合起到封孔作用。其作用是當壓裂液進入到封隔器后，使封隔器內(nèi)形成壓差，保證壓裂液能經(jīng)封隔器中間管的進液槽進入膠筒與中間管的環(huán)形腔內(nèi)。當壓裂管內(nèi)部的壓力超過3 MPa時，座封裝置能夠自動打開，壓裂液經(jīng)座封裝置流入篩管，開始壓裂。壓裂結(jié)束停泵后必須進行卸壓操作，將孔口卸壓閥門打開，壓力降到0后封隔器快速自動收縮到原始狀態(tài)，封隔器便可回收撤出孔外。

圖4 MKY80型膨脹式封隔器實物Fig.4 Physical photo of inflatable packer

封孔工藝如圖5所示。由圖5可知，采用膨脹封隔器可快速壓裂且重復(fù)使用，封隔器距孔口距離應(yīng)不小于10 m，為保證安全，孔口需用鋼絲繩或鏈條固定在錨桿上，防止封隔器意外噴出傷人。實施時，先施工上壓裂鉆孔H1，封孔長度為鉆孔設(shè)計長度的1/2，封孔后實施水力壓裂；再施工下壓裂鉆孔H3并壓裂，封孔長度為中間壓裂鉆孔H2的設(shè)計長度；最后施工中間壓裂鉆孔H2并壓裂，封孔長度為上壓裂鉆孔H1的設(shè)計長度。該壓裂順序是每施工一個鉆孔壓裂一個鉆孔，符合原始區(qū)域優(yōu)先壓裂防止串孔從而增加壓入水量的目的。

圖5 超前水力壓裂封孔工藝示意圖Fig.5 Sealing technology for advanced fracturing

本組鉆孔施工并壓裂完成后，在間隔下壓裂鉆孔H3距離b處進行下一組水力壓裂鉆孔的施工和水力壓裂流程，重復(fù)直至工作面停采線。

1.3.2 支架間水力水力壓裂工藝

圖6為支架間頂煤水力壓裂工藝。回采過程中，當工作面推進至液壓支架處于兩組超前水力壓裂鉆孔中間位置時進行水力壓裂，以解決兩端頭難垮落的問題，使用膨脹式封隔器封孔，封孔長度均為h/2=6 m，壓裂時觀察附近頂板淋水情況，直至支架間淋水范圍和滲水量均穩(wěn)定不變時停止水力壓裂并退出封隔器。

1.3.3 頂煤超前水力壓裂工藝

依據(jù)壓裂目標煤層的地質(zhì)環(huán)境、應(yīng)力狀態(tài)、物理力學(xué)參數(shù)等，按式(1)計算煤層的起裂壓力PK。

PK=3σh-σH+σt-P0

(1)

式中：σh為最小主應(yīng)力，MPa；σH為最大主應(yīng)力，MPa；σt為抗拉強度，MPa；P0為孔隙壓力，MPa。

根據(jù)礦井《煤層井田勘探地質(zhì)報告》可知，上覆巖層平均密度為2.216 g/cm3，上覆巖層平均容重γ=ρg=21.7 kN/m3，而11501煤層平均埋深370 m，可知此處煤層垂直地應(yīng)力為σh=γH=21.7×370=8.03 MPa，泊松比ν=0.28，則水平地應(yīng)力σH=σh×ν/(1-ν)=3.12 MPa，煤層的抗拉強度σt=1.01 MPa，孔隙壓力取0，則可計算出煤層的起裂壓力為19.96 MPa。

2 壓裂過程與結(jié)果

2.1 現(xiàn)場壓裂情況

采用BYW315/55水力壓裂泵組進行壓裂，該泵組額定壓力為55 MPa，額定流量為315 L/min，壓裂過程中記錄注入流量與壓力數(shù)據(jù)，超前壓裂時以臨近孔或巷幫穩(wěn)定出水作為結(jié)束判據(jù)，支架間壓裂以頂煤穩(wěn)定淋水為結(jié)束判據(jù)。壓裂結(jié)束后打開孔口卸壓閥門待壓力值降為0后退出壓裂管和封隔器，按順序進行下一個鉆孔的施工。圖7和圖8分別為超前水力壓裂與支架間水力壓裂的現(xiàn)場照片，其中，支架間壓裂壓穿后，孔口兩側(cè)10 m范圍內(nèi)頂煤均勻淋水。采用MKY80型封隔器的封孔工藝下除個別鉆孔因成孔質(zhì)量差或封隔器損壞導(dǎo)致漏水外，其余未見漏水情況，每套封隔器的重復(fù)使用次數(shù)均超過10個鉆孔，超前水力壓裂工序平均總時間約3 h，支架間水力壓裂工序平均總時間約1.5 h。

圖6 支架間頂煤水力壓裂工藝示意圖Fig.6 Hydraulic fracturing process diagram between hydraulic supports

圖7 超前水力壓裂鉆孔孔口情況Fig.7 Advanced hydraulic fracturing borehole situation

圖8 支架間水力壓裂鉆孔孔口情況Fig.8 Hydraulic fracturing between hydraulic supports

2.2 壓裂施工曲線

超前水力壓裂取其中數(shù)據(jù)完整且具有代表性的第5組和第9組繪制壓力曲線，如圖9和圖10所示。由圖9和圖10可知，水壓逐漸累積到峰值后，由于裂隙尖端不斷擴展，整個水壓變化曲線前期呈現(xiàn)無規(guī)律的升高降低往復(fù)震蕩的過程，后期產(chǎn)生大量裂隙并貫通后水壓呈逐漸降低趨勢，最后基本趨于穩(wěn)定。兩組孔的壓力峰值在14～20 MPa之間，壓裂總時間在74～138 min之間。理論計算起裂壓力時僅考慮煤層為均質(zhì)狀態(tài)，而隨著鉆孔深度增加，鉆孔內(nèi)隨機分布的原生裂隙增多，因此實際壓力峰值范圍變化較大且基本小于預(yù)測的起裂壓力值，但最大壓力峰值與預(yù)測的起裂壓力值基本一致。

其中，鉆孔H1和鉆孔H3由于優(yōu)先壓裂及鉆孔較深，壓裂持續(xù)時間較鉆孔H2長，鉆孔H2因最后壓裂且存在部分相鄰鉆孔的導(dǎo)通裂隙，因此整體壓力也最低。在水力壓裂的最后階段相鄰鉆孔被壓穿出水后，水壓會有一個明顯的衰減，因此在壓裂時應(yīng)當控制流量和壓力，減少煤體中大裂縫的形成，從而防止裂縫迅速被貫通，形成均勻裂縫網(wǎng)絡(luò)，使煤體均勻受到水的弱化作用。

支架間水力壓裂取第7組和第8組繪制壓力曲線，如圖11所示。由圖11可知，整個水力壓裂過程存在3個明顯的階段特征，分別是水壓累積階段、裂隙起裂階段、裂隙擴展階段。其中，水壓累積階段水先充滿管路及鉆孔的初始空間和充填原生裂隙，該階段前期水壓很低且變化不大，后期水壓逐漸升高；裂隙起裂階段水壓迅速上升到峰值達到煤體的起裂壓力，裂隙被大量壓開后峰值迅速衰減；裂隙擴展階段裂隙不斷擴展延伸到煤體深處，該階段水壓有震蕩變化現(xiàn)象但最后基本趨于穩(wěn)定。

圖9 第5組超前水力壓裂鉆孔壓力曲線Fig.9 Pressure curve of advanced hydraulic fracturing holes in fifth group

圖10 第9組超前水力壓裂鉆孔壓力曲線Fig.10 Pressure curve of advanced hydraulic fracturing holes in ninth group

圖11 第7組和第8組支架間水力壓裂鉆孔壓力曲線Fig.11 Pressure curve of hydraulic supports in seventh and eighth groups

兩組孔的壓力峰值在18～22 MPa之間，壓裂總時間在15～27 min之間。由于液壓支架初撐力方向向上，相當于增加了垂直地應(yīng)力，因此支架間水力壓裂的壓力峰值較超前水力壓裂更高，比預(yù)測的起裂壓力值更大。支架間水力壓裂范圍小，水壓峰值很快衰減，持續(xù)時間較短，壓裂至頂煤穩(wěn)定淋水的最短時間僅為15 min。因支架間鉆孔長度較超前水力壓裂鉆孔短，原生裂隙濾失的流量少，因此峰值壓力較超前水力壓裂高，在壓裂過程中頂煤有明顯的破裂響聲。由于在傾斜煤層中，上端頭較下端頭更難垮落，上端頭的頂煤更為“原生”，因此上端頭的水壓峰值較下端頭水壓峰值更高，壓裂持續(xù)時間也更長。

2.3 壓入水量統(tǒng)計

在壓裂過程利用流量傳感器實時監(jiān)測壓入水量，壓入水量統(tǒng)計如圖12所示。由圖12可知，在定流量壓裂時的壓入水量與壓裂持續(xù)時間呈正相關(guān)關(guān)系，超前水力壓裂壓入水量在23.1～43.2 m3之間，鉆孔H1和鉆孔H3壓入水量較鉆孔H2大，支架間水力壓裂壓入水量在4.7～8.5 m3之間，上端頭鉆孔J1較下端頭鉆孔J2壓入水量大。超前水力壓裂平均壓入量為支架間水力壓裂平均壓入水量的5倍左右，因此造成更大的影響范圍。

圖12 超前水力壓裂與支架間壓裂壓入量統(tǒng)計Fig.12 Fracturing water injection volume between advance and hydraulic support

3 壓裂效果分析

3.1 壓裂影響范圍分析

因超前水力壓裂組內(nèi)3個鉆孔控制范圍和鉆孔設(shè)計長度不同，因此在計算影響范圍及壓入水量時按照組別進行綜合計算，每組水力壓裂鉆孔范圍內(nèi)的頂煤總量M計算見式(2)。

M=4aLh

(2)

式中：a為組內(nèi)鉆孔間距，m；L為采煤工作面寬度，m；h為煤層厚度，m。此處頂煤總量包含了支架間鉆孔覆蓋的頂煤范圍，通過計算得出每組水力壓裂鉆孔范圍內(nèi)的頂煤總量M=48 000 m3。

根據(jù)每組總壓入水量計算浸潤半徑R[16]，見式(3)。

(3)

式中：Q為總壓入水量，m3；l為壓裂孔長度，m；l1為封孔長度，m；γ為水的比重，取1；ηs為含水率提升量，%，ηs=η-ηγ，ηγ為原煤含水率；K1為不均勻系數(shù)，不重復(fù)浸潤時K1=0.1，重復(fù)浸潤時K1=0.2，本文試驗鉆孔為不重復(fù)浸潤設(shè)計，因此取K1=0.1。

根據(jù)平均每組鉆孔的總壓入水量116.2 m3、原始煤層含水率3.2%、壓裂后煤層含水率5.1%、壓裂孔長度l取最長鉆孔179.0 m、封孔長度l1取最短封孔長度26.5 m計算可得R=11.3 m，該半徑控制的煤量為27 120 m3，計算可得該條件及壓入總水水量下的壓裂影響范圍為56.5%，影響范圍正常但仍有提升空間，因此后續(xù)可通過優(yōu)化鉆孔布置、控制流量與壓力來提升壓裂影響范圍，其原理仍然是減少煤體中大裂縫的形成，從而防止裂縫迅速被貫通，達到均勻裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成，使煤體均勻受到水的弱化作用。

3.2 壓裂后放煤效果

圖13為壓裂前后支架間頂煤運出情況。由圖13可知，壓裂前垮落后的煤體塊度較大難以被后刮板輸送機運出，采空區(qū)遺留煤較多。壓裂后除兩端頭外，放煤后采空區(qū)中部基本顯露灰白色頂板頂煤冒落較好，采取壓裂措施后頂出煤冒落塊度整體較小大部分能順利運，除了部分大塊煤一直卡在支架處外，刮板輸送機上方較空，圖中已可見支架后方露出刮板輸送機槽。

表2統(tǒng)計了11501工作面未采取措施區(qū)域和水力壓裂穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)的放煤情況。 由表2可知，水力壓裂穩(wěn)定期的割煤高度2.6 m，平均放煤高度7.1 m，放煤高度較未進行水力壓裂措施區(qū)域相比增加82%，采放比約1.0∶2.7，已達到正常水平且接近最佳采放比，整體回收率提升約24%。

圖13 壓裂前后支架間頂煤運出情況Fig.13 Transport of top coal between hydraulic supports before and after fracturing

表2 原始區(qū)域和水力壓裂區(qū)域放煤情況統(tǒng)計表Table 2 Statistical table of coal caving in original area and hydraulic fracturing area

由上述統(tǒng)計分析可看出，采用超前水力壓裂結(jié)合支架間水力壓裂的方式可以實現(xiàn)頂煤弱化增加其冒放性，如果在整個工作面全部采取頂煤多維水力壓裂措施的情況下，按新疆地區(qū)5500大卡熱量的原煤出倉價格280元/t估算，理想狀態(tài)下該礦原煤年產(chǎn)量將提升約60萬t，每年將額外增加上億產(chǎn)值，可帶來巨大的經(jīng)濟效益。進一步分析認為，支架間水力壓裂是解決兩端頭難垮落的補充措施，目的是可在支架的掩護下保證措施的安全實施，從而防止在巷道內(nèi)實施端頭頂煤壓裂時巷道被壓塌的風(fēng)險，但帶來的問題是對生產(chǎn)的干擾，建議采用更合理的方法來替代支架間壓裂。

4 結(jié) 論

1) 超前水力壓裂鉆孔深，壓裂時間長但壓力峰值相對較低，其壓力峰值小于預(yù)測起裂壓力值且隨鉆孔深度的增加而降低；超前水力壓裂鉆孔壓入水量隨鉆孔深度的增加而增加，平均壓入水量約為支架間水力壓裂鉆孔的5倍。

2) 支架間水力壓裂鉆孔淺，壓裂時間短但壓力峰值相對較高，其壓力峰值大于預(yù)測起裂壓力值；上端頭支架間水力壓裂鉆孔壓力峰值和壓入水量均比下端頭支架間水力壓裂鉆孔更大。

3) 超前水力壓裂覆蓋范圍大能使頂煤有足夠時間被浸潤軟化，支架間水力壓裂范圍小，但能精準解決工作面兩端頭難冒落問題，兩者互補實現(xiàn)頂煤全覆蓋；試驗工作面水力壓裂穩(wěn)定期的放煤高度較未進行水力壓裂措施區(qū)域大幅增加，已接近最佳采放比，提升了工作面整體回收率。

4) 在工作面傾向長度較長時建議分別在兩巷施工超前水力壓裂鉆孔進行水力壓裂，防止鉆孔長度過長導(dǎo)致偏轉(zhuǎn)而竄孔或距離太近被快速壓穿。