水力壓裂技術(shù)在采煤工作面頂板弱化中應(yīng)用研究

高金強(qiáng)

（汾西礦業(yè)南關(guān)煤業(yè)公司，山西 靈石 031304）

引言

堅(jiān)硬頂板煤層開采時(shí)，采空區(qū)內(nèi)有大范圍懸頂，不僅會(huì)增加采面動(dòng)壓顯現(xiàn)強(qiáng)度而且增加采空區(qū)瓦斯涌出，給煤炭回采安全帶來一定制約[1-3]。實(shí)現(xiàn)堅(jiān)硬頂板弱化對(duì)提高煤層開采安全保障能力具有顯著促進(jìn)意義，為此，眾多的學(xué)者對(duì)堅(jiān)硬頂板弱化技術(shù)展開研究，并提出采用深孔預(yù)裂爆破、水力壓裂等各種頂板弱化技術(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用均取得較好成果[4-7]。文章就以山西某礦31103 采煤工作面回采為工程背景，對(duì)水力壓裂技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用進(jìn)分析。

1 工程概況

山西某礦現(xiàn)階段主采11#煤層，煤層賦存條件較為復(fù)雜，在開采過程中受瓦斯、涌水、礦壓等災(zāi)害影響顯著。31103 采煤工作面位于3 采區(qū)，為該采區(qū)第二個(gè)回采工作面，采面設(shè)計(jì)走向1 980 m、傾向202 m，采用綜采開采工藝，開采范圍內(nèi)11#煤層厚度均值3.8 m。根據(jù)回采巷道掘進(jìn)揭露以及巖芯取樣測試發(fā)現(xiàn)，11#煤層頂板巖層為細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖以及粗砂巖復(fù)合頂板，底板以鋁質(zhì)泥巖為主（遇水膨脹），現(xiàn)場取樣測試得到的頂板力學(xué)參數(shù)，如表1 所示。

表1 頂板力學(xué)參數(shù)

31103 采煤工作面煤層頂板堅(jiān)硬，采面礦壓顯現(xiàn)明顯，給采面回采安全以及回采效率等帶來一定制約。為此，選擇采用水力壓裂技術(shù)對(duì)采面堅(jiān)硬頂板進(jìn)行弱化。

2 水力壓裂技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 壓裂鉆孔布置

為降低31103 采煤工作面煤層頂板堅(jiān)硬巖層強(qiáng)度以及穩(wěn)定性，在弱化頂板同時(shí)降低對(duì)后續(xù)回采影響，依據(jù)采面現(xiàn)場實(shí)際視情況以及已有水力壓裂技術(shù)理論，對(duì)堅(jiān)硬頂板水力壓裂鉆孔布置進(jìn)行設(shè)計(jì)。頂板水力壓裂工序包括有水力壓裂鉆孔施工、封孔、注高壓水、保壓注水等環(huán)節(jié)，根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果最終設(shè)計(jì)的水力壓裂鉆孔布置，如圖1 所示。

圖1 采面水力壓裂鉆孔布置示意圖

在采面回風(fēng)巷布置的水力壓裂鉆孔間距為8 m，在回風(fēng)巷副幫施工的水力鉆孔深度40 m、仰角為45°（偏向采面措施巷側(cè)），在回風(fēng)巷正幫施工的水力壓裂鉆孔孔深45 m、仰角45°（偏向采面位置），單個(gè)鉆孔壓裂水壓保持在18 MP～55 MP，平均壓裂水壓為30 MPa～355 MPa，水力壓裂鉆孔單段壓裂長度控制在1.5 m～3.0 m，具體鉆孔布置剖面，如圖2 所示。

圖2 回風(fēng)巷水力壓裂鉆孔布置示意圖

2.2 水力壓裂施工工藝

在31103 采煤工作面采用的水力壓裂工藝流程，如圖3 所示，水力壓裂系統(tǒng)包括有高壓水泵、軟管、封孔器、手動(dòng)泵等結(jié)構(gòu)，水力壓裂過程可分為封孔、水力壓裂以及保壓注水等環(huán)節(jié)。水力壓裂鉆孔通過中心管向鉆孔內(nèi)注入高壓水從而實(shí)現(xiàn)鉆孔圍巖壓裂，封孔器與中心管間空間密封壓裂范圍；通過連桿將上下兩個(gè)封隔器連接，水力壓裂主要集中在上下兩個(gè)封隔器間。注水管連接位置通過O 型圈密閉，不僅密閉可靠而且便于后續(xù)拆裝。高壓水泵為水力壓裂提供高壓水，高壓水泵流量為80 L/min、水壓62 MPa，配套使用的雙電壓電機(jī)為660 V/1 140 V。

圖3 水力壓裂工藝流程

3 頂板弱化效果分析

3.1 壓裂孔縫隙擴(kuò)展情況

頂板巖層裂隙發(fā)育情況是衡量水力壓裂效果的一個(gè)重要指標(biāo)，為此采用鉆孔窺視儀對(duì)水力壓裂鉆孔不同深度鉆孔孔壁裂隙擴(kuò)展進(jìn)行探測。具體F66 水力壓裂鉆孔窺視結(jié)果，如圖4 所示，從圖中看出，隨著鉆孔水力壓裂工作開展，鉆孔孔壁開始出現(xiàn)有橫向、縱向裂隙，裂縫寬度約為2 mm～3 mm、縱向裂隙延伸長度最大可達(dá)到5 m 以上；同時(shí)從現(xiàn)場壓裂情況看出，在水力壓裂時(shí)臨近鉆孔出現(xiàn)不同程度出水情況，表明在水力壓裂段臨近鉆孔間已形成貫通裂隙。

圖4 水力壓裂段鉆孔窺視成果圖

3.2 礦壓顯現(xiàn)監(jiān)測

采面回采期間礦壓顯現(xiàn)情況是衡量頂板弱化效果的最為直觀指標(biāo)。對(duì)采面回風(fēng)巷端頭影響范圍內(nèi)的液壓支架工作阻力進(jìn)行監(jiān)測（監(jiān)測范圍為距離回風(fēng)巷35 m 以內(nèi)的支架），具體監(jiān)測得到的不同支架工作阻力變化情況，如表2 所示。

從表中可看出，采面在水力壓裂影響區(qū)以外回采時(shí)，頂板來壓時(shí)液壓支架工作阻力加大且動(dòng)載系數(shù)較高，一般在1.3 以上；進(jìn)入到水力壓裂影響區(qū)之后，由于采空區(qū)內(nèi)頂板可及時(shí)垮落，頂板來壓時(shí)液壓支架工作阻力以及動(dòng)載系數(shù)等均明顯降低，表明采用的水力壓裂技術(shù)可有效降低采面回采期間礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度。

4 總結(jié)

當(dāng)煤層頂板為堅(jiān)硬巖層時(shí)，回采期間面臨礦壓顯現(xiàn)顯著、采空區(qū)懸頂面積大、采空區(qū)瓦斯涌出量高等問題，給煤炭回采安全帶來制約。采用弱化技術(shù)處理堅(jiān)硬頂板，降低巖層強(qiáng)度以及穩(wěn)定性，是實(shí)現(xiàn)堅(jiān)硬頂板煤層高效回采的重要舉措。為此，以31103 采煤工作面回采為工程實(shí)例，提出在采面回風(fēng)巷內(nèi)布置水力壓裂鉆孔，對(duì)頂板進(jìn)行弱化，并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況對(duì)弱化技術(shù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場應(yīng)用后，頂板弱化段頂板來壓強(qiáng)度明顯降低，采空區(qū)頂板可及時(shí)垮落，取得較為顯著頂板弱化效果。