水力壓裂技術在哈拉溝煤礦初次放頂中的應用

王慶雄

(神華神東煤炭集團公司哈拉溝煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

水力壓裂是指裂紋由于其內部液體壓力的作用而開裂擴展的過程。該技術已廣泛應用于石油、天然氣開采、頁巖油氣開發、煤層氣開發和地熱資源開發等領域[1-4]。近年來，煤炭科學研究總院開采研究分院康紅普院士及其團隊開展了水力壓裂技術研究，包括水力壓裂機理和參數、壓裂設備器材、壓裂效果檢測等方面，將該技術應用于煤礦堅硬頂板控制，并在潞安、晉城、伊泰、神南、神東等礦區得到應用，并取得良好效果[5-8]。目前，水力壓裂技術在堅硬頂板控制主要應用于煤礦高應力巷道卸壓、采煤工作面上隅角懸頂防治和采煤工作面初次放頂等方面[9-11]。

根據神東礦區頂板條件，為確保綜采工作面初采安全，綜采工作面均需強制放頂，爆破強制放頂是傳統的初次放頂方式，該方法雖然能夠解決綜采工作面初采期頂板問題，但是需要大量炸藥，且爆破具有一定的安全隱患。哈拉溝煤礦作為神東煤炭集團主力礦井之一，產量大，綜采工作面推進速度快，每年大約有4～5個綜采工作面需強制放頂。根據近幾年水力壓裂技術在神東礦區大柳塔煤礦、錦界煤礦和補連塔煤礦等的成功應用經驗，為實現礦井零火工品生產，需在22409-3綜采工作面實施水力壓裂初次放頂試驗，為哈拉溝煤礦水力壓裂技術應用奠定基礎。

1 綜采工作面概況及壓裂工藝

1.1 22409-3綜采工作面概況

哈拉溝煤礦22409-3綜采工作面煤層平均厚度4.9 m，傾角1°～3°，煤層結構簡單，屬穩定型煤層。工作面寬度152 m，切眼高度3.8 m。工作面北西為22煤中央回風大巷，北東為22410工作面，南東為大柳塔煤礦22612、22613工作面采空區，南西為22408工作面。根據頂板巖層柱狀圖可知，直接頂為均厚13.91 m的砂質泥巖，局部為中粒砂巖；老頂為均厚8.1 m的粗砂巖，較堅硬，難垮落。工作面選用第1～9套DBT5.5m[ZY10000/25.5/55]二柱掩護式液壓支架，額定工作阻力10 000 kN。

1.2 水力壓裂初次放頂工藝

壓裂工藝及設備：水力壓裂初次放頂技術是在工作面切眼掘進、支護完畢后，在綜采設備(采煤機、液壓支架和刮板運輸機等)安裝前，在切眼正幫側對頂板巖層實施水力壓裂。水力壓裂通過在鉆孔壓裂段預制頂板裂縫，從而控制壓裂裂縫發育方向，主要起到壓裂和軟化頂板作用，從而削弱頂板的強度和整體性，待工作面回采后采空區能夠分層分次垮落，縮短綜采工作面初次來壓步距和來壓強度，避免初采期間頂板大面積垮落傷人、損壞設備事故。水力壓裂初次放頂工藝包括施工鉆孔、封孔、高壓水壓裂、保壓注水和撤除設備，施工工藝如圖1所示。

1-靜壓水進水管路；2-高壓水泵；3-水泵壓力表；4-流量計；5-手動泵；6-高壓供水膠管；7-手動泵壓力表；8-水壓儀；9-接頭；10-注水鋼管；11-高壓供水膠管；12-蓄存壓裂介質水和油的儲能器；13-封孔器；14-壓裂鋼管(管壁打孔)；15-預裂縫；16-下封孔器注水管；17-水力壓裂鉆孔圖1 頂板水力壓裂施工示意圖

施工步驟：①施工鉆孔。在切眼巷道正幫側施工水力壓裂鉆孔，采用ZDY1200S型全液壓鉆機施工鉆孔，鉆頭為φ56 mm；②封孔。鉆孔施工完畢后，安裝圖1示意圖連接相關設備、管路，注水鋼管將封孔器推送至預定位置(預裂縫處)，利用手動泵加壓封孔器進行封孔；③高壓水壓裂。封孔完畢后，給高壓水泵先通水再通電，然后慢慢加壓，同時記錄、觀測水泵壓力表及手動泵壓裂數據，繼續加壓直至預裂縫開裂(水泵壓力表壓力突然下降)；④保壓注水。水泵壓力表壓力突然下降后，繼續注水，確保壓力穩定，保壓注水能使裂紋繼續擴展，同時也能軟化頂板巖石；當相鄰觀測孔、錨索處流水，停止加壓，壓裂工作結束；⑤撤除設備。壓裂工作結束后，高壓水泵先斷電后停水，封孔器泄壓，然后退出鉆孔，取出鉆桿，回收設備。為提高工作效率，鉆孔作業和壓裂作業可平行作業，作業間距應不小于40 m。

2 水力壓裂方案設計及施工

2.1 方案設計

水力壓裂初次放頂技術目的是為了最大程度削弱頂板的整體性，使工作面回采后頂板分層及時垮落。同時，不能過度壓裂和軟化頂板，以保證工作面設備安裝安全和初次期間頂板有效管控。根據22409-3工作面頂板賦存條件、釆高等參數，確定了壓裂鉆孔角度、長度、壓裂次數等參數，22409-3工作面水力壓裂設計如圖2所示。鉆孔參數為：壓裂鉆孔-S，鉆孔長度36 m，傾角50°，垂深26.1 m；壓裂鉆孔-L，鉆孔長度38 m，傾角25°，垂深16.2 m。壓裂鉆孔-S，-L間隔布置，間距10 m，壓裂鉆孔-S共11個，壓裂鉆孔-L共8個，鉆孔總長度700 m，如圖3所示。

圖2 鉆孔布置

a-壓裂鉆孔-L；b-壓裂鉆孔-S圖3 水力壓裂鉆孔布置及鉆孔參數圖

2.2 現場施工

22409-3切眼施工鉆孔位于正幫距離底板3.5 m處，鉆孔施工時合理控制進給力，確保同一組鉆孔軸線近似為一條直線。頂板壓裂采用單孔多次壓裂方式，從鉆孔底板逐步向孔口方向依次壓裂，孔口處壓裂位置距離孔口>4 m。壓裂時觀察壓裂處切眼巷道頂板錨索、相鄰鉆孔出水情況，出現錨索、錨桿斷裂情況時立即停止壓裂，調整壓裂方式，當進水量和出水量接近時，停止壓裂。

壓裂期間，通過觀測水壓變化分析裂縫擴展情況。壓裂開始時，水壓增加較快，鉆孔壁開裂時水壓通常較高，隨后壓裂稍微下降，以穩定水壓開始壓裂，說明22409-3切眼頂板整體性好，裂縫不發育，大約30 min后，壓裂區域錨索開始淋水并逐漸增大，待相鄰鉆孔開始淋水且壓裂區域錨索普遍淋水時，說明壓裂半徑至少>10 m，相鄰鉆孔已貫通，此時停止壓裂。

3 水力壓裂初次放頂效果分析

3.1 水力壓裂初次放頂效果

22409-3工作面于2017年3月6日開始初采，3月8日上午，工作面推進約12 m時，除機尾端頭20臺支架外，其他區域直接頂基本垮落完成；3月8日下午，工作面推進約16 m時，除機尾端頭14臺支架外，其他區域直接頂基本垮落完成；3月9日上午，工作面推進約18 m時，采空區直接頂基本全部垮落，僅剩機尾上隅角區域未完全垮落；3月10日上午，工作面推進約23 m時，機尾上隅角區域頂板垮落。直接頂垮落從工作面中部開始，緩慢向機尾端頭側擴展，分層逐漸垮落。3月11日，工作面推進約37 m時，工作面初次來壓，支架阻力增大，來壓期間最大阻力44 MPa，平均35 MPa，來壓期間無明顯片幫、漏矸現象，支架安全閥基本無開啟，未產生颶風。因此，水力壓裂初次放頂后，工作面頂板能夠及時、分層垮落，初次來壓期間礦壓顯現并不劇烈。

3.2 深孔爆破初次放頂效果

22409-3工作面為哈拉溝煤礦首個水力壓裂初次放頂工作面，之前工作面均采用深孔爆破初次放頂技術。選取22409-3工作面相鄰的22407工作面深孔爆破初次放頂效果進行對比分析。22407綜采工作面賦存條件和22409-3工作面類似，工作面寬度284 m，選用鄭煤6.3 m改5.5 m[12 000 kN]二柱掩護式液壓支架167臺，支架工作阻力12 000 kN。深孔爆破鉆孔在工作面安裝前施工，待工作面推進4～5 m時實施。鉆孔呈“一”字型分布，距離切眼副幫4 m，間距10 m，按照22 m、28 m和34 m孔深為一組循環布置，鉆孔仰角均為30°，直徑90 mm，采用水膠炸藥，裝藥量3.57 kg/m。所需材料包括水膠炸藥、導爆索、雷管、起爆器和PVC管等，爆炸產生大量有毒有害氣體，且爆炸沖擊波對工作面支架等設備損傷較大。

22407工作面采用深孔爆破初次放頂后，當工作面推進約13 m時，50#～123#支架采空區直接頂垮落完成；當工作面推進約17 m時，8#～140#支架采空區直接頂垮落完成；當工作面推進約22 m時，采空區直接頂基本全部垮落。直接頂垮落從工作面中部開始，緩慢向機尾端頭側擴展，分層逐漸垮落。工作面推進約47 m，工作面60#～150#支架阻力開始增大，但普遍<40 MPa；當工作面推進約61 m時，75#～150#支架普遍>35 MPa；當工作面推進約65 m時，35#～150#支架阻力普遍增大，40#～145#支架區域礦壓顯現劇烈，支架阻力普遍>45 MPa，最大達48 MPa。初次來壓期間支架安全閥普遍開啟，立柱下沉量較小，不足100 mm，由于煤壁較硬，無明顯片幫；來壓期間有颶風出現，風勢較弱。

對比22409-3工作面和22407工作面初采期間工作面礦壓顯現劇烈程度可知，22409-3工作面初次來壓步距、來壓強度明顯小于22407工作面，說明水力壓裂初次放頂技術能夠更好地解決綜采工作面初采頂板安全問題。

4 結論

(1)22409-3工作面水力壓裂鉆孔參數：壓裂鉆孔-S長度36 m，傾角50°，壓裂鉆孔-L長度38 m，傾角25°；壓裂鉆孔-S，-L間隔布置，間距10 m。采用單孔多次壓裂方式，從鉆孔底板逐步向孔口方向依次壓裂。

(2)22409-3工作面采用水力壓裂初次放頂技術后，初次來壓步距和來壓強度均有所降低，有利于初采期間綜采工作面頂板管理，表明水力壓裂初次放頂技術適用于哈拉溝煤礦。

(3)水力壓裂與深孔爆破的初次放頂技術相比，具有以下優點：放頂效果更好；施工均在工作面安裝前完成，不影響工作面連續回采；避免了使用火工品，安全性更高，為礦井實現零火工品奠定了基礎；不會產生有毒有害氣體，更加安全、環保、綠色。