綜采工作面切眼水力壓裂放頂研究與實(shí)踐

韓陽紅 吳健偉

（1.山西陽城陽泰集團(tuán)竹林山煤業(yè)有限公司，山西 陽城 048105；2.晉城華友機(jī)電設(shè)備有限公司，山西 晉城 048000）

煤礦堅(jiān)硬頂板巖石強(qiáng)度高，短期內(nèi)不易垮落，一旦垮落，常造成設(shè)備損壞或瓦斯事故[1-3]。我國堅(jiān)硬難垮頂板的煤層超30%[4,5]，主要以深孔爆破為主方法控制，但其瞎炮和殘炮處理困難，震動(dòng)危害性大，頂板垮落面積難以控制，且易誘導(dǎo)瓦斯事故。定向水力壓裂技術(shù)可有效解決深孔爆破技術(shù)面臨的技術(shù)難題[4,6]。

基于傳統(tǒng)爆破控頂技術(shù)弊端及水力壓裂技術(shù)優(yōu)勢(shì)，山西陽城竹林山煤業(yè)有限公司采用定向水力壓裂法開展1404 工作面切眼初次放頂實(shí)踐。

1 概況

竹林山煤業(yè)為高瓦斯礦井，3 號(hào)煤層為現(xiàn)采煤層，位于山西組中下部，上距下石盒子組底砂巖（K8）約26.58 m，下距K7 砂巖約9.58 m。煤層平均厚4.48 m，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。煤層偽頂為碳質(zhì)泥巖，直接頂為泥巖或砂質(zhì)泥巖，厚7.92～8.49 m，平均8.12 m。偽頂及直接頂板較松軟，偽頂隨煤垮落，基本頂較穩(wěn)定，一般不易冒落，在開采后3～5 d 自然零星冒落?；卷敿?xì)砂巖干燥狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度為30.70 MPa，單向抗拉強(qiáng)度為1.20 MPa，抗剪強(qiáng)度4.46 MPa，凝聚力4.93 MPa，內(nèi)摩擦角38°36′，屬中等堅(jiān)硬巖石。1404 工作面地表基本為山地，無地面建筑設(shè)施，蓋山厚度為395～420 m，平均為405 m。

未采用強(qiáng)制措施處理堅(jiān)硬頂板前，1404 運(yùn)輸順槽北部1405 工作面采空區(qū)回風(fēng)巷基本頂無法正?？逅?，450～700 m 處出現(xiàn)底鼓、兩幫移近現(xiàn)象，部分巷道變形較大，底鼓最大量超過2.0 m，移近量最大達(dá)到1.8 m。同時(shí)，機(jī)頭超前段受橫向（東部）和縱向（北部）應(yīng)力疊加的影響，超前段頂板下沉量最大已超過2.0 m，兩幫移近量最大已超過2.0 m，超前支護(hù)困難。

2 水力壓裂設(shè)計(jì)

根據(jù)頂板巖層結(jié)構(gòu)、巖層厚度、巖性及采高共布置3 種類型的水力壓裂鉆孔，分別為L、S 和H 孔。L 孔和S 孔各8 個(gè)，兩順槽H 孔12 個(gè)，切眼內(nèi)H孔11 個(gè)。鉆孔設(shè)計(jì)示意圖如圖1。

圖1 鉆孔設(shè)計(jì)示意圖（m）

1404 運(yùn)輸順槽鉆孔設(shè)計(jì)：從1404 工作面切眼煤柱往外9.5 m 處布置第1 個(gè)壓裂鉆孔H4 孔，距左幫煤柱1 m 處，第2、第3 及第4 個(gè)鉆孔間距為10 m，長度為終孔垂直距離19.0 m；在右側(cè)可采幫距切眼5 m 處施工第1 個(gè)壓裂孔H6，相距15 m 施工第2 個(gè)鉆孔，長度為終孔垂直距離1 m。H 孔設(shè)計(jì)如圖2，設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖2 運(yùn)輸順槽H 孔設(shè)計(jì)示意圖（m）

表1 運(yùn)輸順槽H 孔設(shè)計(jì)參數(shù)

1404 切眼內(nèi)鉆孔設(shè)計(jì)：從距運(yùn)輸順槽往里3 m處施工第1 個(gè)鉆孔S 孔，間距10 m 施工第2 個(gè)L孔，以此類推重復(fù)布滿整個(gè)工作面，用L、S 表示。L、S 孔施工在切眼距煤幫1 m 處，切眼內(nèi)H-7 孔第1 個(gè)鉆孔開孔位置距運(yùn)輸順槽可采幫13 m，距切眼內(nèi)回采幫1.5 m 處，第2 至第11 個(gè)鉆孔間距分別為10 m。L、S 和H 孔長度為終孔垂直距離19 m。切眼內(nèi)鉆孔設(shè)計(jì)如圖3、4，參數(shù)見表2。

表2 切眼內(nèi)L、S 及H 孔設(shè)計(jì)參數(shù)

圖3 切眼內(nèi)L、S 孔設(shè)計(jì)示意圖（m）

1404 回風(fēng)順槽鉆孔設(shè)計(jì)：從切眼煤柱往外9.5 m 處布置第1 個(gè)鉆孔H 孔，距右?guī)兔褐? m 處，第2 至第4 個(gè)鉆孔間距為10 m；在左側(cè)可采幫距切眼5 m 處施工第1 個(gè)鉆孔H 孔，相距10 m 施工第2個(gè)鉆孔。長度均為終孔垂直距離19.0 m?；仫L(fēng)順槽H 鉆孔設(shè)計(jì)如圖5，設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

圖4 切眼內(nèi)H 孔設(shè)計(jì)示意圖（m）

圖5 回風(fēng)順槽H 孔設(shè)計(jì)示意圖（m）

表3 回風(fēng)順槽H 孔設(shè)計(jì)參數(shù)

3 水力壓裂工藝

（1）采用Φ55 mm 的加強(qiáng)鉆頭，鉆孔鉆進(jìn)穿過最上部堅(jiān)硬巖層0.6～1.0 m 時(shí)停止鉆進(jìn)，如圖6（a）。（2）將跨式鉆孔封隔器分別與高壓注水鋼管和注水膠管連接，將封隔器推進(jìn)至孔底水力壓裂段，如圖6（b）。（3）連接儲(chǔ)能器和手動(dòng)泵將其送至鉆孔中的膠管的另一端，進(jìn)行封孔，手動(dòng)泵封孔所需壓力約15.0 MPa，如圖6（c）。（4）采用高壓纏繞膠管將高壓泵與高壓注水鋼管連接，開啟高壓泵，高壓水進(jìn)入封孔段，封孔段起裂后水壓會(huì)有所下降，繼而進(jìn)入保壓階段（約30 min）。在這個(gè)階段，裂紋擴(kuò)展的同時(shí)伴隨著新裂紋的產(chǎn)生，如圖6（d）。（5）前一段壓裂完成后，卸載高壓注水管路壓力，再卸注水膠管壓力。（6）將封隔器后退至同一鉆孔中的下一個(gè)壓裂段（后退式壓裂），重復(fù)（2）～（5），直至將整個(gè)鉆孔需要的壓裂段全部壓裂完成。

圖6 水力壓裂施工工藝流程圖

4 水力壓裂泵柱選型

水力壓裂泵選型：已有研究認(rèn)為裂隙張開位移多介于1.2～2.2 mm，中粒砂巖滲透率變化范圍為70～100 mD[5,6]，本次取100 mD，裂隙張開位移0.002 m；基本頂抗壓強(qiáng)度30.7 MPa，凝聚力4.93 MPa，內(nèi)摩擦角38°36′。第三主應(yīng)力根據(jù)礦井經(jīng)驗(yàn)估算，采用σz=0.028 90H+2.546 2 計(jì)算，目前1404 工作面煤層埋深約為405 m，可計(jì)算第三主應(yīng)力值為14.2 MPa。根據(jù)礦井經(jīng)驗(yàn)，初始裂隙壓力取0.1 MPa，結(jié)合上述參數(shù)，依據(jù)下式計(jì)算水力致裂壓力[7]：

可知：壓裂泵的壓力應(yīng)大于31.0 MPa，選用最大壓力可達(dá)62.0 MPa、流量為80 L/min 的壓裂泵，可滿足壓裂要求。

5 壓裂效果

1404 工作面切眼及鄰近上下兩巷每個(gè)鉆孔自孔底開始封孔并進(jìn)行水力致裂，間隔3.0 m 致裂1 次，壓裂截止至錨索安裝高度即垂直高度7.0 m，可得L、S 和H 孔都需壓裂5 次。致裂結(jié)束的判定標(biāo)準(zhǔn)為壓裂孔周邊（鉆孔）涌水明顯或壓裂時(shí)長30 min。

39 個(gè)壓裂孔中，除5 個(gè)壓裂孔壓裂失效外（鄰近孔冒水嚴(yán)重），其余壓裂孔致裂時(shí)間介于9～32 min，平均致裂時(shí)長為16 分21 秒，致裂壓力介于25.4～30.5 MPa，表明水力壓裂壓力計(jì)算模型正確，水力致裂設(shè)備選型可靠。采用鉆孔窺視儀對(duì)壓裂孔壓裂前后效果進(jìn)行考察，部分壓裂孔壓裂前后窺視圖如圖7。壓裂效果明顯。

工作面推進(jìn)8.0 m 后頂板開始垮落。隨著推進(jìn)，支架載荷相繼出現(xiàn)3 次峰值，第1 次峰值出現(xiàn)于工作面推進(jìn)24.6 m，第2 次峰值出現(xiàn)于推進(jìn)39.8 m，第3 次峰值出現(xiàn)于推進(jìn)57 m。第1、2 次峰值間隔推進(jìn)15.3 m，第2、3 次峰值間隔推進(jìn)17.2 m?？梢詳喽ㄔ摴ぷ髅婊卷敵醮蝸韷翰骄酁?3.0 m，周期來壓步距為15.3～17.2 m?；卷敵醮蝸韷翰骄嘤稍瓉淼?5.0 m 降至壓裂后15.3～17.2 m，與周期來壓步距16.0 m 相近，說明水力壓裂效果明顯。

圖7 壓裂孔壓裂前后對(duì)比圖

采用定向水力壓裂后，底鼓及巷道變形量均大幅降低，在控制范圍之內(nèi)。水力壓裂技術(shù)控制堅(jiān)硬頂板，可解決巷道變形及底鼓量大的難題。

6 結(jié)論

（1）采用水力壓裂技術(shù)對(duì)1404 綜采工作面切眼頂板進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)了3 種不同型號(hào)共計(jì)39 個(gè)壓裂孔。

（2）定向水力壓裂可使煤層頂板分層、分次逐漸垮落，有效降低了頂板壓力顯現(xiàn)程度，巷幫變形及巷道底鼓現(xiàn)象大幅降低，具有良好的壓裂效果。