綜采工作面高壓水力壓裂切頂技術(shù)應(yīng)用

侯晉科

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司唐安煤礦分公司，山西 晉城 048400）

在煤礦井下綜采工作面的施工中，因?yàn)榈刭|(zhì)條件、覆巖壓力、開(kāi)采方式等方面的不同，在井下開(kāi)采作業(yè)的過(guò)程中，初采環(huán)節(jié)極易出現(xiàn)采空區(qū)頂板長(zhǎng)距離大面積懸頂不垮落的問(wèn)題，這樣容易導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)部空間存在瓦斯、CO 等有害集體的濃度升高，還會(huì)引發(fā)比較大范圍的懸頂突然垮落，容易引發(fā)礦井災(zāi)害的事故，對(duì)于礦井的安全生產(chǎn)帶來(lái)很大的威脅和影響。為了預(yù)防在綜采工作面事故問(wèn)題，在工作面的初采環(huán)節(jié)，一般都會(huì)選擇應(yīng)用切巷與上下端頭超前退錨、剪網(wǎng)、頂板超前爆破預(yù)裂強(qiáng)制放頂相關(guān)的措施，即使可以正常施工，依然會(huì)存在切頂效果不足、安全性不高等嚴(yán)重的問(wèn)題。目前科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展，煤礦綜采技術(shù)不斷提高，高壓水力壓裂技術(shù)廣泛應(yīng)用，對(duì)于井下工作面瓦斯抽采、地面石油、天然氣開(kāi)采產(chǎn)生重要影響，主要是因?yàn)樵摷夹g(shù)安全性高、操作簡(jiǎn)單，綜合利用價(jià)值較高。本文以某煤礦的13102工作面為案例展開(kāi)分析，重點(diǎn)掌握高壓水力壓裂方式對(duì)于工作面頂板預(yù)裂損壞的問(wèn)題，同時(shí)總結(jié)出相應(yīng)的施工工藝參數(shù)，為今后相似的礦井實(shí)施水力壓裂技術(shù)方案提供幫助和支持[1]。

1 概況

13102 項(xiàng)目在開(kāi)采時(shí)，其生產(chǎn)能力為500×104t/a。13102 工作面處于該礦區(qū)的南側(cè)，其切眼長(zhǎng)度為240m，斷面寬10.0m、高4.0m?，F(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采作業(yè)人員從煤層底部開(kāi)始進(jìn)行開(kāi)采，工作面主采13 號(hào)煤層，其平均厚度在11.1m 左右，通過(guò)使用綜采放頂煤采煤工藝方案進(jìn)行，全部垮落法管理采空區(qū)頂板，具體可見(jiàn)圖1所示。

圖1 13102工作面煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖

在本次工作面開(kāi)采中切眼掘進(jìn)環(huán)節(jié)，應(yīng)用的是錨網(wǎng)鎖支護(hù)的施工方式。初采初放的環(huán)節(jié)，雖然對(duì)于切眼中頂板施工的錨桿、錨索托盤等結(jié)構(gòu)都是進(jìn)行提前退錨的處理，但是由于頂板結(jié)構(gòu)的巖石硬度較高，所以容易出現(xiàn)工作面回采頂板巖石沒(méi)有及時(shí)垮落的情況，出現(xiàn)了比較大范圍的懸頂，還會(huì)在內(nèi)部存在過(guò)多的瓦斯堆積，回采階段極易發(fā)生上隅角瓦斯?jié)舛瘸霭踩珮?biāo)準(zhǔn)的情況，人員進(jìn)入到現(xiàn)場(chǎng)引發(fā)安全事故，也會(huì)侵害人們的生命健康安全。為了使得現(xiàn)場(chǎng)回采作業(yè)在安全的條件下進(jìn)行，需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的情況選擇使用強(qiáng)制放頂?shù)拇胧┨幚眄敯?，避免出現(xiàn)安全隱患。對(duì)于該工作面來(lái)說(shuō)，煤層頂板煤層巖性比較特殊，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)制定出切實(shí)可行的切頂卸壓處理措施，給工作面切眼頂板巖層上開(kāi)設(shè)勘探孔，以掌握巖層的性質(zhì)。在本次作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，選取5 號(hào)勘探孔展開(kāi)分析，對(duì)0～1m 頂板巖層深度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部的巖層裂隙發(fā)育比較明顯，超過(guò)1m 深度區(qū)域后，巖層裂隙的發(fā)育也會(huì)減少。綜合分析13102 工作面的巖層情況、開(kāi)采方式、現(xiàn)場(chǎng)條件等要素，最終技術(shù)人員選擇應(yīng)用高壓水利壓裂切頂卸壓方式處理，從而預(yù)防現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)大面積懸頂不垮落問(wèn)題[2-3]。

2 高壓水力壓裂施工方案設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)原理

高壓水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用是通過(guò)液壓鉆機(jī)給工作面煤層頂部實(shí)施壓裂鉆孔作業(yè)，施工環(huán)節(jié)首先應(yīng)用普通鉆頭開(kāi)始鉆進(jìn)施工，達(dá)到設(shè)計(jì)深度尺寸后，把鉆頭更換為特殊性的開(kāi)槽鉆頭，并且鉆孔最終的部位上形成橫向切槽。在施工結(jié)束后，及時(shí)應(yīng)用封孔器進(jìn)行封堵處理，并通過(guò)高壓注水泵切槽中進(jìn)行高壓水的注入，然后在內(nèi)部形成巨大的高壓切應(yīng)力，從而使得槽中出現(xiàn)裂縫，受到高壓切應(yīng)力持續(xù)影響，裂縫不斷的擴(kuò)大，巖層結(jié)構(gòu)直接損壞，強(qiáng)度下降，以達(dá)到鉆孔的標(biāo)準(zhǔn)。工作面回采時(shí)，煤層頂板受到采動(dòng)動(dòng)壓以及覆巖應(yīng)力等共同影響，工作面采空區(qū)頂板巖層垮落從原先的整體性垮落演變?yōu)榉謱涌迓涞姆绞?，可以盡量地減小內(nèi)部的頂板初壓布局，并且壓力強(qiáng)度會(huì)下降，預(yù)防因?yàn)榇蠓秶捻敯蹇迓涠l(fā)的安全事故問(wèn)題，從而切實(shí)提升工作面的安全性，為現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采作業(yè)順利進(jìn)行提供幫助和支持[4]。

2.2 施工方案設(shè)計(jì)

2.2.1 鉆孔布置

本次煤層開(kāi)采鉆孔環(huán)節(jié)，設(shè)置可見(jiàn)圖2，總計(jì)進(jìn)行41個(gè)鉆孔作業(yè)?；夭晒ぷ髅驺@孔L為14個(gè)、S為13個(gè)、J為4個(gè)；順風(fēng)槽S為3個(gè)、A為2個(gè)；回風(fēng)順槽S為3個(gè)、A為2個(gè)。

圖2 13102工作面切眼水力壓裂初次放頂鉆孔布置

2.2.2 鉆孔技術(shù)參數(shù)

鉆孔L深40m；鉆孔S深40m；鉆孔J深30m；鉆孔A深40m。經(jīng)過(guò)對(duì)上述數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，得出鉆孔深度總和為1600m。

2.3 主要施工機(jī)具

在水力壓裂施工開(kāi)始前，做好機(jī)具準(zhǔn)備極為重要，本次工作面綜采過(guò)程中，主要的施工機(jī)具可見(jiàn)表1。

表1 設(shè)備型號(hào)分析

2.4 施工工藝流程

高壓水力壓裂施工工藝較為復(fù)雜，具體來(lái)說(shuō)，可以分為如下幾個(gè)工序：

（1）鉆孔。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的鉆進(jìn)需要，選擇合適的鉆機(jī)型號(hào)，本次煤礦選擇ZDY2300LPS型鉆機(jī)，配套有鉆頭、鉆桿等機(jī)具，各項(xiàng)性能與指標(biāo)符合要求，并執(zhí)行設(shè)計(jì)方案的要求，確保鉆孔工作順利的進(jìn)行。

（2）封孔。鉆孔作業(yè)環(huán)節(jié)必須加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和控制，如果鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)深度尺寸之后，則需要退出鉆桿，更換為封隔器，再應(yīng)用人力或者機(jī)械的方式將封隔器推送到壓裂現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)位置上，再利用高壓樹(shù)脂細(xì)管逐步的加壓施工，從而使得封隔器膠筒膨脹，封孔壓力為12～16MPa，連接的部位上密封性能符合要求，再關(guān)閉管道閥門，初壓環(huán)節(jié)壓力提升到2～5MPa檢查密封情況，符合工藝方案的要求才能封孔作業(yè)。

（3）高壓水壓裂。緩慢地開(kāi)啟與高壓注水桿相連接的截止閥，并且逐步地進(jìn)行注水加壓處理，觀察注入的效果，時(shí)間持續(xù)1min，如果該孔沒(méi)有出水，則應(yīng)連續(xù)性加壓實(shí)施保壓注水處理，通常時(shí)間在30min 左右，也要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況做出調(diào)整。如果沒(méi)有達(dá)到觀察時(shí)間時(shí)，就已經(jīng)在臨近孔或者周邊的裂隙內(nèi)涌出水，這就表示該壓裂孔與周邊的裂隙全部達(dá)到通暢性的要求，再進(jìn)行加壓施工，如果涌水狀態(tài)并未改變，即可完成本次壓裂作業(yè)。泄壓完成后，根據(jù)工藝要求移動(dòng)封隔器，并循環(huán)上述步驟，直到最終完成壓裂作業(yè)[5]。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

3.1 水力壓裂壓力變化情況監(jiān)測(cè)

13102 工作面在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行高壓水力壓裂試驗(yàn)的環(huán)節(jié)，做好現(xiàn)場(chǎng)高壓水泵的水壓參數(shù)的觀測(cè)，實(shí)時(shí)記錄各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，以確保工作人員可以對(duì)工作面高壓水力壓裂的效果做出判定，分析現(xiàn)場(chǎng)的施工情況。通過(guò)記錄數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)壓力曲線變化形式為鋸齒狀并且變化比較密集，說(shuō)明該位置上的巖層裂縫已經(jīng)不斷的擴(kuò)展，但是總體的開(kāi)裂幅度是比較小的。在壓力曲線的變化形式以波浪線為主，說(shuō)明該區(qū)域內(nèi)的裂縫開(kāi)裂的現(xiàn)象有大有小，并不穩(wěn)定。這是因?yàn)橛行┎课簧系膸r層結(jié)構(gòu)內(nèi)部本身就存在有裂隙的問(wèn)題，在進(jìn)行高壓注水操作的過(guò)程中，高壓泵的壓力波動(dòng)變化比較大，所以要做好現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)觀測(cè)工作，每一項(xiàng)參數(shù)都處于可控范圍內(nèi)，提高施工的效果和質(zhì)量。

3.2 應(yīng)用效果分析

經(jīng)過(guò)本次的煤礦進(jìn)行分析，13101工作面已經(jīng)回采工作，通過(guò)觀測(cè)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，該工作面的直接頂與老頂初次來(lái)壓的步距分別是16.5m、46.8m。在開(kāi)采的環(huán)節(jié)，工作面老頂初次來(lái)壓的過(guò)程中，工作面上設(shè)置的支架結(jié)構(gòu)面的工作壓力不斷的升高，大約有80%的支架工作阻力處于100000～11000kN之間，而最大的部位面對(duì)的工作壓力已經(jīng)達(dá)到12500kN，所以在回采的環(huán)節(jié)存在有比較大范圍的積片幫的結(jié)構(gòu)。對(duì)于13102 工作面的試驗(yàn)環(huán)節(jié)，通過(guò)應(yīng)用高壓水力壓裂切頂泄壓的方式，對(duì)于該工作面進(jìn)行初采環(huán)節(jié)的頂板初次來(lái)壓狀況的檢查，需要在該工作面液壓支架表面設(shè)置在線礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以便于工作人員可以隨時(shí)掌握液壓工作面阻力的波動(dòng)變化，觀測(cè)掌握現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息，同時(shí)在回采作業(yè)的環(huán)節(jié)，每一班組的工作人員都必須進(jìn)行采空區(qū)的頂板來(lái)壓情況觀察。根據(jù)觀測(cè)后獲得的數(shù)據(jù)信息，工作面開(kāi)幫生產(chǎn)后持續(xù)性推進(jìn)2.4m 的環(huán)節(jié)，工作面直接頂已經(jīng)發(fā)生局部的垮落情況，在開(kāi)采進(jìn)行6.5m后，出現(xiàn)全部垮落的情況，在進(jìn)行16m的作業(yè)后，老頂已經(jīng)全部垮落。從這個(gè)現(xiàn)象分析可以發(fā)現(xiàn)，13102工作面老頂初次來(lái)壓步距為16m，較之13101 工作面縮短30m，并且在整個(gè)來(lái)壓的環(huán)節(jié)，煤墻存在有部分輕微片幫的問(wèn)題，工作面液壓支架阻力處于8500～9000kN，只有局部的位置達(dá)到10000kN。由此可見(jiàn)，在應(yīng)用高壓水力壓裂切頂技術(shù)之后，有效地解決和處理以往的大面積不垮落問(wèn)題，從而使得現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)更加的安全，提高綜合效益。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以實(shí)際案例展開(kāi)分析，深入分析13102工作面切眼內(nèi)的高壓水力壓裂試驗(yàn)的工藝方案以及具體的效果，經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)論分析，發(fā)現(xiàn)在應(yīng)用高壓水力壓裂切頂技術(shù)之后，頂板在高壓水的持續(xù)影響之下發(fā)生裂縫、分層的情況，整體結(jié)構(gòu)性能破壞，從原先的整體垮落不斷演變?yōu)榉謱涌迓涞姆绞?。同時(shí)，來(lái)壓強(qiáng)度的下降比較明顯，切實(shí)提高現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的安全性，確保煤礦綜采工作面作業(yè)達(dá)到安全、穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)生更高的經(jīng)濟(jì)效益。