干河煤礦回采巷道圍巖超前水力壓裂技術(shù)實(shí)踐

郭亞建

（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 洪洞 031400）

1 工程概況

霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司干河煤礦2-209工作面位于+80 水平二采區(qū)右翼，工作面布置方式及位置如圖1 所示。 工作面開(kāi)采1#和2#煤層合并層，煤層均厚為3.9 m，平均傾角為5°，煤層直接頂巖層為粉砂巖，均厚1.45 m，基本頂巖層為砂質(zhì)泥巖，均厚4.20 m，底板巖層為砂質(zhì)泥巖和砂巖。

圖1 2-209 工作面平面位置

該工作面面長(zhǎng)183 m，可采走向長(zhǎng)度914 m，工作面采用綜采一次采全高采煤法。 由于煤層埋藏較深且煤層內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，工作面回采期間，兩回采巷道臨近采空區(qū)段，在高地應(yīng)力和采動(dòng)影響下圍巖變形嚴(yán)重，尤其表現(xiàn)為底鼓嚴(yán)重，兩幫大量回縮，兩巷的超前管理維護(hù)工程量大，嚴(yán)重制約工作面的安全回采。 為破解圍巖變形量大的難題，擬采用超前水力壓裂技術(shù)對(duì)巷道頂板實(shí)施壓裂卸壓。

2 水力壓裂技術(shù)

水力壓裂技術(shù)主要通過(guò)在煤巖體打設(shè)鉆孔后，向鉆孔注入高壓水實(shí)現(xiàn)制造煤巖體裂縫的目的，同時(shí)運(yùn)用壓裂設(shè)備及控制水壓能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水力壓裂裂縫擴(kuò)展方向的控制。 在回采巷道采用水力壓裂技術(shù)時(shí)，水力壓裂能夠破壞頂板巖層的完整性，降低煤巖體的高應(yīng)力狀態(tài)，通過(guò)卸壓使得頂板處于低應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而保障采動(dòng)影響下采空區(qū)頂板能夠充分垮落，防止出現(xiàn)大面積懸頂和懸頂距離過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致的回采順槽超前段圍巖變形量大，圍巖變形難以控制的現(xiàn)象[1-3]。

水力壓裂技術(shù)在工作面應(yīng)用時(shí)，常用的壓裂鉆孔布置方式有兩種，分別為單側(cè)布置和雙側(cè)布置。 單側(cè)布置鉆孔時(shí)，要求鉆孔深度較大，但鉆孔工程量較??；雙側(cè)布置鉆孔時(shí)，鉆孔工程量較大，但其弱化頂板巖層較為均勻[4-5]。 具體水力壓裂鉆孔布置的兩種方式如圖2 所示。 工程應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)頂板巖層的具體性質(zhì)及水力壓裂的目的選擇布置方式及參數(shù)。

圖2 頂板水力壓裂鉆孔布置

水力壓裂施工工藝可主要?jiǎng)澐譃? 個(gè)步驟，分別為封孔、高壓水壓裂和保壓注水。 在壓裂鉆孔打設(shè)完畢并封孔合格后，即可開(kāi)始進(jìn)行高壓水壓裂作業(yè)，當(dāng)壓裂方案實(shí)施后，鉆孔壁面上會(huì)產(chǎn)生預(yù)裂縫，裂縫產(chǎn)生后水壓會(huì)在一定程度上下降，此時(shí)即進(jìn)入保壓階段，即保持一定的水壓值使得裂縫逐漸擴(kuò)散，并產(chǎn)生新的裂縫；工藝布置參數(shù)如圖3所示。 水力壓裂方案實(shí)施時(shí)所需的設(shè)備主要包括：高壓水泵、注水管、壓力表、封孔器和蓄存壓裂介質(zhì)水和油的儲(chǔ)能器等[6]。 主要設(shè)備如下：

圖3 頂板水力壓裂

封孔器： 由中心管和封隔器膠筒組成水路通道。 封孔器中心管中形成的空間能夠存儲(chǔ)高壓水，而封孔器壁面與孔壁壁面通過(guò)壓力緊密貼合實(shí)現(xiàn)鉆孔的封孔。

注水管： 其在水力壓裂工藝中主要起到兩方面的作用，即將封隔系統(tǒng)送至鉆孔預(yù)定位置和為壓裂實(shí)施提供加壓通道。

高壓水泵：其作用是給壓裂段加壓。 實(shí)踐中，根據(jù)2-209 工作面頂板巖層特征，結(jié)合地應(yīng)力分布情況[7]，通過(guò)計(jì)算選擇高壓水泵，其主要參數(shù)為電壓660/1140V、額定壓力62 MPa、流量為80 L/min。

流量水壓監(jiān)測(cè)儀： 該儀器能夠?qū)λ毫堰^(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄，并能根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)處理計(jì)算得出地應(yīng)力數(shù)值。 實(shí)踐中，采用流量水壓監(jiān)測(cè)儀型號(hào)為KJ327-F 水壓致裂數(shù)據(jù)采集儀。

3 施工工藝

2-209 工作面水力壓裂技術(shù)在2-2092 巷道內(nèi)實(shí)施，水力壓裂方案各項(xiàng)參數(shù)如下：

1）試驗(yàn)段位置：超前工作面150 m。

2）鉆孔布置：水力壓裂鉆孔采用2 種布置方式，分別命名為S 和S′；兩種鉆孔的直徑均為56 mm。 ①S型鉆孔長(zhǎng)度為40.5 m，鉆孔在煤壁幫1.5～2.5 m 的位置處布置，壓裂鉆孔的間距為10 m，鉆孔仰角為50°；②S′型鉆孔長(zhǎng)度同樣為40.5 m，鉆孔在煤柱幫1.0～2.5 m 的位置處布置，壓裂鉆孔的間距為10 m，鉆孔仰角同樣為50°，鉆孔在水平方向上與巷道走向成5°～10°。

2-2092 巷壓裂鉆孔布置圖如圖4 所示。

圖4 2-2092 巷壓裂鉆孔布置

水力壓裂鉆孔采用單側(cè)布置，壓裂方式為后退式單孔多次壓裂，壓裂鉆孔內(nèi)每間隔3 m 進(jìn)行一次壓裂，每個(gè)壓裂位置處的壓裂次數(shù)為10～13次，壓裂從孔底開(kāi)始進(jìn)行，一處壓裂完成后，后退至下一個(gè)壓裂地點(diǎn)進(jìn)行壓裂作業(yè)，如此循環(huán)直至壓裂至距孔口13 m 的位置處即可停止壓裂作業(yè)，單孔壓裂完成。

實(shí)施時(shí)，首先接好封孔器，在封孔完畢后接通注水管，然后對(duì)封孔器進(jìn)行加壓作業(yè)，封孔完畢后即可開(kāi)啟高壓泵進(jìn)行壓裂作業(yè)。 壓裂進(jìn)行30 min或者鄰近鉆孔出水后即可關(guān)閉高壓泵，壓裂完成后進(jìn)行封孔器的卸壓作業(yè)，隨后后退鉆桿至下一個(gè)壓裂地點(diǎn)進(jìn)行下一段的壓裂作業(yè)，如此循環(huán)直至壓裂至距孔口13 m 的位置處。

4 效果分析

為驗(yàn)證水力壓裂實(shí)施效果，在壓裂位置處布置巷道表面位移監(jiān)測(cè)站，每間隔20 m 布置一個(gè)測(cè)站，共計(jì)在壓裂段布置10 組巷道表面位移測(cè)站；在非壓裂段布置3 組表面位移監(jiān)測(cè)站進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)巷道頂板下沉量和兩幫移近量做如下分析：

1）頂板下沉量。 根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出巷道壓裂段和非壓裂段頂板下沉曲線如圖5 所示。

圖5 非壓裂段和壓裂段頂板下沉變形曲線

由圖5 可知，巷道非壓裂段處圍巖在超前工作面150 m 的位置處開(kāi)始出現(xiàn)一定的頂板下沉的趨勢(shì)，當(dāng)測(cè)站與工作面間的距離為100 m 時(shí)，此時(shí)頂板下沉速率大幅提升，頂板下沉明顯；從圖中3個(gè)測(cè)站的頂板下沉曲線可知，監(jiān)測(cè)期間頂板最大下沉量為0.43 m，下沉量大。 巷道水力壓裂段巷道測(cè)站同樣在超前工作面150 m 的位置處開(kāi)始出現(xiàn)頂板下沉現(xiàn)象，但隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，測(cè)站與工作面間距離在150～50 m 范圍內(nèi)時(shí)，頂板下沉速率未出現(xiàn)大幅提升的現(xiàn)象，頂板下沉速率仍處于較低的水平，3 個(gè)測(cè)站的頂板最終下沉量均在0.085～0.25 m 范圍內(nèi)。

2）兩幫移近量。 根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出巷道非壓裂段和壓裂段兩幫移近量曲線如圖6 所示。

圖6 非壓裂段和壓裂段兩幫移近變形曲線

由圖6 可知，巷道非壓裂段圍巖在超前工作面200 m 的位置處開(kāi)始出現(xiàn)兩幫移近的趨勢(shì)，當(dāng)測(cè)站與工作面間的距離為100 m 時(shí)，此時(shí)兩幫移近速率大幅提升，監(jiān)測(cè)期間兩幫最大移近量為1.16 m，兩幫移近量大，影響巷道的正常使用。 水力壓裂段巷道測(cè)站在超前工作面150 m 的位置處開(kāi)始出現(xiàn)兩幫移近現(xiàn)象，隨著測(cè)站與工作面間距離的減小，兩幫移近速率未大幅增大，3 個(gè)測(cè)站的兩幫移近量均在0.465～0.87 m 范圍內(nèi)，變形滿足回采使用要求。

綜上所述，巷道采用水力切頂卸壓后，回采巷道超前段在采動(dòng)影響下變形量大幅降低，工作面超前段回采巷道基本穩(wěn)定。

5 結(jié)語(yǔ)

以干河煤礦2-209 工作面為工程實(shí)例，因回采期間順槽超前段圍巖變形量大，擬采用水力壓裂技術(shù)進(jìn)行切頂卸壓；重點(diǎn)分析探討了水力壓裂技術(shù)及工藝流程；結(jié)合巷道頂?shù)装鍘r層參數(shù)，擬定設(shè)計(jì)水力壓裂方案；工程實(shí)踐表明，巷道變形量大幅降低，圍巖變形量大的難題得到有效解決。