定向水力壓裂在煤礦堅(jiān)硬頂板弱化中的應(yīng)用

張向陽(yáng)（晉城煤業(yè)集團(tuán)古書(shū)院礦，山西 晉城 048000）

定向水力壓裂在煤礦堅(jiān)硬頂板弱化中的應(yīng)用

張向陽(yáng)
（晉城煤業(yè)集團(tuán)古書(shū)院礦，山西 晉城 048000）

以古書(shū)院煤礦153303工作面堅(jiān)硬頂板為工程背景，分析了堅(jiān)硬頂板的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，并以此為依據(jù)，進(jìn)行了定向水力壓裂設(shè)計(jì)，通過(guò)監(jiān)測(cè)工作面推進(jìn)過(guò)程中頂板來(lái)壓步距和液壓支架工作阻力評(píng)價(jià)壓裂效果，且與深孔爆破預(yù)裂技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比。研究表明：采用定向水力壓裂技術(shù)弱化堅(jiān)硬頂板巖層，頂板及時(shí)垮落，來(lái)壓時(shí)支架工作阻力小，控頂效果好；與爆破控頂法相比，定向水力壓裂更能削弱堅(jiān)硬頂板巖層的完整性和強(qiáng)度，來(lái)壓步距和工作面支架工作阻力更小，控頂效果更好，還具有安全性高、成本低、施工速度快和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，有較好的推廣價(jià)值。

堅(jiān)硬頂板；定向水力壓裂；來(lái)壓步距；液壓支架工作阻力

古書(shū)院煤礦主采15號(hào)煤層，該煤層直接頂屬于典型的強(qiáng)度高、整體性強(qiáng)、自穩(wěn)能力強(qiáng)的石灰?guī)r頂板，在工作面推進(jìn)過(guò)程中，位于工作面的兩個(gè)端頭懸頂面積較大，無(wú)法及時(shí)垮落。采用超前深孔預(yù)裂爆破弱化方式處理工作面的難垮頂板時(shí)，會(huì)導(dǎo)致局部CO積聚，還需采取防止瓦斯爆炸的措施，安全管理難度加大，不利于安全生產(chǎn)。

定向水力壓裂技術(shù)是波蘭開(kāi)發(fā)出用于煤礦堅(jiān)硬頂板控制及沖擊地壓防治的技術(shù)，是指在鉆孔壓裂段預(yù)制裂縫，從而控制水力壓裂裂紋擴(kuò)展方向的技術(shù)。對(duì)堅(jiān)硬頂板的控制有著非常明顯的效果，主要表現(xiàn)在壓裂和軟化兩個(gè)方面，從而削弱頂板的強(qiáng)度和整體性，使采空區(qū)頂板能夠分層分次垮落，縮短初次來(lái)壓和周期來(lái)壓步距，達(dá)到減小或消除堅(jiān)硬難垮頂板對(duì)工作面回采危害的目的[1-3]。文章針對(duì)古書(shū)院煤礦的生產(chǎn)地質(zhì)條件，應(yīng)用定向水力壓裂技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，并評(píng)價(jià)水力壓裂技術(shù)弱化頂板的效果[4-6]，為該技術(shù)大規(guī)模的推廣應(yīng)用提供可靠依據(jù)。

1 工程概況

本次水力壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選擇古書(shū)院煤礦153303工作面，工作面標(biāo)高+560 m～+585 m，地面標(biāo)高+780 m～+900 m，走向長(zhǎng)度1 900 m，傾向長(zhǎng)度180 m，目前153303工作面處于孤島工作面。直接頂和老頂均為致密堅(jiān)硬的石灰?guī)r，厚層穩(wěn)定，含有泥巖夾層。

1.2 地應(yīng)力測(cè)量

采用SYY-56型小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量裝置對(duì)15號(hào)煤層進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1所示。σH，σV，σh，λ，φ分別為最大水平主應(yīng)力、垂直應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力、側(cè)壓系數(shù)及最大水平主應(yīng)力方向。以水平應(yīng)力為主，屬于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型。

表1 地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

1.3 圍巖強(qiáng)度測(cè)試

采用WQCZ-56型圍巖強(qiáng)度測(cè)試裝置對(duì)巷道頂板10 m范圍內(nèi)的煤巖體進(jìn)行了原位強(qiáng)度測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示：15號(hào)煤層頂板以上10 m范圍內(nèi)石灰?guī)r強(qiáng)度平均值為116.55 MPa，致密堅(jiān)硬，局部泥巖和泥質(zhì)砂巖混合巖層強(qiáng)度平均值為68.17 MPa，頂板圍巖整體強(qiáng)度較高，屬于典型堅(jiān)硬頂板。

1.4 圍巖結(jié)構(gòu)觀察

采用鉆孔窺視儀對(duì)頂板圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察，觀察結(jié)果表明：頂板以上10 m范圍內(nèi)巖層巖性整體為石灰?guī)r，且賦存狀況穩(wěn)定（構(gòu)造區(qū)域除外），完整性更好，沒(méi)有存在明顯的泥巖夾層和裂隙，局部地段受構(gòu)造影響，頂板以上10 m范圍內(nèi)巖層存在泥巖和泥質(zhì)砂巖混層，此處圍巖裂隙比較發(fā)育；頂板以上20 m范圍內(nèi)，石灰?guī)r層以上巖層以粉細(xì)砂巖為主，巖層完整性普遍較好。

2 堅(jiān)硬頂板定向水力壓裂設(shè)計(jì)

2.1 壓裂鉆孔布置

碾壓工序完成后立即采用一布一膜覆蓋方式進(jìn)行養(yǎng)生，并配備噴霧式灑水車(chē)灑水，養(yǎng)生期為7d，在養(yǎng)生期間禁止車(chē)輛通行。

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)頂板地質(zhì)條件及地質(zhì)力學(xué)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行定向水力壓裂設(shè)計(jì)。在工作面兩個(gè)順槽布置上述3種壓裂鉆孔（L、S、H），鉆孔布置俯視圖，見(jiàn)圖1-a。在工作面煤體上方頂板交錯(cuò)布置L和S孔，具體參數(shù)見(jiàn)圖1-b、1-c，其中S孔之間的間距為30 m，L孔之間的間距為30 m。H孔布置在距離煤柱約1m（可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件適當(dāng)調(diào)整）處，其參數(shù)見(jiàn)圖1-d，鉆孔間距為10 m。

圖1 鉆孔參數(shù)布置圖

2.2 施工順序

鉆施工順序?yàn)椋嚎譒鉆進(jìn)、壓裂→鉆孔S鉆進(jìn)、壓裂→鉆孔H鉆進(jìn)、壓裂。

3 頂板壓裂控頂效果

通過(guò)監(jiān)測(cè)古書(shū)院礦150003工作面支架的工作阻力變化、初次來(lái)壓步距和周期來(lái)壓步距，并結(jié)合爆破切頂弱化頂板效果進(jìn)行對(duì)比來(lái)評(píng)價(jià)定向水力壓裂的控頂效果。

3.1 工作面液壓支架壓力曲線(xiàn)圖

對(duì)工作面多個(gè)液壓支架的工作阻力變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而評(píng)價(jià)定向水力壓裂對(duì)頂板的弱化效果，選取工作面端部及中間部位三個(gè)液壓支架作為代表。

圖2 1號(hào)支架壓力曲線(xiàn)圖

圖3 19號(hào)支架壓力曲線(xiàn)圖

圖4 26號(hào)支架壓力曲線(xiàn)圖

圖2-圖4為實(shí)測(cè)支架工作阻力曲線(xiàn)圖，支架的工作阻力相對(duì)較小，處于正常工作范圍值內(nèi)，反應(yīng)在觀測(cè)期間工作面礦壓整體不大，說(shuō)明堅(jiān)硬頂板巖層經(jīng)過(guò)水力壓裂弱化后，在頂板形成大量裂隙，削弱了頂板的強(qiáng)度和完整性，頂板能夠及時(shí)垮落，周期來(lái)壓時(shí)對(duì)支架產(chǎn)生的壓力較小，因此支架工作阻力普遍較小，定向水力壓裂技術(shù)對(duì)頂板的控制作用很明顯。

3.2 與爆破切頂弱化頂板效果對(duì)比

古書(shū)院煤礦曾經(jīng)采用過(guò)深孔爆破法對(duì)其堅(jiān)硬頂板進(jìn)行卸壓。工作面的初次、周期來(lái)壓步距和支架工作阻力方面進(jìn)行對(duì)比分析，如表2和表3所示。

表2 來(lái)壓步距對(duì)比

表3 支架工作阻力對(duì)比

通過(guò)分析表2和表3，定向水力壓裂技術(shù)初次來(lái)壓步距和周期來(lái)壓步距較小，工作面支架平均工作阻力與最大工作阻力也小于采用深孔爆破預(yù)裂控頂法的支架工作阻力，說(shuō)明定向水力壓裂更能削弱堅(jiān)硬頂板巖層的完整性和強(qiáng)度，控頂效果更明顯。

4 結(jié)論

1）古書(shū)院煤礦153303工作面直接頂屬于典型的強(qiáng)度高、整體性強(qiáng)、自穩(wěn)能力強(qiáng)的石灰?guī)r堅(jiān)硬頂板，在工作面推進(jìn)過(guò)程中，位于工作面的兩個(gè)端頭懸頂面積較大，難以及時(shí)垮落，造成極大的安全隱患。

2）采用定向水力壓裂技術(shù)能弱化堅(jiān)硬頂板巖層，在頂板形成大量裂隙，削弱了頂板的強(qiáng)度和完整性，頂板及時(shí)垮落，且周期來(lái)壓時(shí)對(duì)支架產(chǎn)生的壓力較小，對(duì)頂板的控制作用很明顯。

3）與深孔爆破預(yù)裂頂板方法相比，定向水力壓裂更能削弱堅(jiān)硬頂板巖層的完整性和強(qiáng)度，來(lái)壓步距和工作面支架工作阻力更小，控頂效果更好，還具有安全性高、成本低、施工速度快和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，有較好的推廣價(jià)值。

[1] 孫守山，寧宇，葛鈞.波蘭煤礦堅(jiān)硬頂板定向壓裂技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，1999(2）：51-52.

[2]馮彥軍，康紅普.定向水力壓裂控制煤礦堅(jiān)硬難垮頂板試驗(yàn)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31（6）：1148-1155．

[3]康紅普，馮彥軍.定向水力壓裂工作面煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)及其演化規(guī)律[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012，37（12）：1953-1959．

[4]張占濤.堅(jiān)硬頂板定向水力壓裂技術(shù)在王臺(tái)鋪煤礦的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2014，33（4）：73-76．

[5] 孫志勇，馮彥軍，郭相平.鳳凰山煤礦堅(jiān)硬頂板定向水力壓裂技術(shù)應(yīng)用研究[J].中國(guó)礦業(yè)，2014，23（11）：108-110.

[6]馮彥軍.水力壓裂技術(shù)在煤礦堅(jiān)硬頂板控制中的應(yīng)用[J].煤礦支護(hù)，2014（1）：4-7.

（編輯：武曉平）

Application of Directional Hydraulic Fracturing in Weakening of Hard Roof in Mines

ZHANG Xiangyang
(Gushuyuan Mine,Jincheng Coal Group,Jincheng 048000,China)

Taking the hard roof of No.153303 working face in Gushuyuan Mine as engineering background,the paper studies the geomechanics parameters of the hard roof to design the directional hydraulic fracturing.By monitoring the weighting distance and working resistance of hydraulic support in the process of roadway driving,the fracturing effect was evaluated.Besides,it was compared with the deep-hole pre-splitting blasting.The results show that the directional hydraulic fracturing technology could weaken the hard roof rock and make the roof falling in time,with small resistance and ideal roof control effect.Compared with blasting roof control technology,the directional method could reduce the completeness and strength of the hard roof rock,with fewer weighting distance and working resistance,as well as better roof control effects.The technology is worthy to be popularized with benefits,such as high safety,lowcost,fast construction,and strongadaptability,.

hard roof;directional hydraulic fracturing;weighting distance;working resistance of hydraulic support

TD327.2

A

1672-5050（2016）04-034-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.08.010

2016-03-19

張向陽(yáng)（1971-），男，山西晉城人，大學(xué)本科，工程師，從事煤礦生產(chǎn)管理工作。