張家峁煤礦短壁工作面水力壓裂技術(shù)應(yīng)用研究

于 水 張 健 王 悅 苗彥平 李 軍

(1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西省西安市,710054； 2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西省西安市,710065； 3.陜西彬長孟村礦業(yè)有限公司，陜西省咸陽市,714300； 4.陜煤集團神木張家峁礦業(yè)有限公司，陜西省榆林市,719313)

陜西神木張家峁煤礦地處陜北神府礦區(qū)，礦井存在大量不規(guī)則邊角煤塊段，尤其是5-2煤層厚度大，儲量約3.33 Mt。但這些塊段分布不規(guī)則，無法布置正規(guī)的綜合機械化開采工作面。目前采用傳統(tǒng)旺格維利開采工藝對該部分資源回收，卻面臨采空區(qū)堅硬頂板難以垮落，容易形成大面積冒落隱患的問題。

水力壓裂作為經(jīng)濟有效的堅硬難垮頂板控制技術(shù)已在國內(nèi)外推廣應(yīng)用，可彌補上述技術(shù)的不足，實踐證明是成功有效的，已在生產(chǎn)實踐中顯示出良好的技術(shù)經(jīng)濟和社會效益。實踐結(jié)果表明，水力壓裂可有效弱化堅硬頂板、破壞其完整性，削弱頂板的強度和整體性，使采空區(qū)頂板能夠分層分次垮落，縮短初次來壓和周期來壓步距，達到減小或消除堅硬頂板對工作面回采危害的目的。

基于以上背景，擬對張家峁煤礦八采區(qū)旺采工作面實施水力壓裂強制放頂，以期安全高效地對礦井不規(guī)則塊段資源進行回收，提升工作面頂板管理水平。

1 短壁工作面概況

1.1 煤層賦存情況

短壁工作面位于一盤區(qū)5-2煤層北翼，煤層賦存較穩(wěn)定，整體較平緩，傾角1°～2°，厚度5.2～6 m，平均厚度5.8 m，煤層底板高程1068～1079 m，地面標(biāo)高為1129.7～1236.8 m，蓋山厚度為57.4～156.5 m，回采面積約488986 m2，地質(zhì)儲量360萬t，可采儲量250萬t。工作面自2015年3月開始回采，截至2017年2月，已完成對一采區(qū)至六采區(qū)和九采區(qū)的回采，累計完成回采產(chǎn)量162萬t，剩余七采區(qū)和八采區(qū)回采面積19萬m2，地質(zhì)儲量147萬t，可采儲量80萬t。

1.2 煤層頂板情況

工作面直接頂板為粉砂巖，厚8.16 m，深灰色，厚層狀，塊狀及緩波狀層理，夾細粒砂巖薄層，含白云母碎片。老頂為互層狀的細粒砂巖、中粒砂巖及粉砂巖，厚26.78 m，塊狀層理，含炭屑及白云母碎片，分選性中等。頂板巖石抗壓強度平均為29.88 MPa，屬不穩(wěn)定型-較穩(wěn)定型(I～II)。鉆孔綜合柱狀如圖1所示。

圖1 鉆孔綜合柱狀圖

2 短壁工作面水力壓裂鉆孔布置

在短壁工作面八采區(qū)布置水力壓裂強制放頂鉆孔共104個，其中布置45個壓裂鉆孔A、59個壓裂鉆孔B，鉆孔間距10 m，交替布置，鉆孔布置如圖2所示。鉆孔和壓裂平行作業(yè)，在每一個塊段回采前于最后一個支巷實施水力壓裂。

鉆孔進尺總計4396 m，其中，45個A孔共進尺1800 m，59個B孔共進尺2596 m；鉆孔采用?52 mm鉆頭，?46 mm鉆桿鉆進；A孔長度40 m，傾角為45°，見圖3(a)； B孔長度44 m，傾角為35°，見圖3(b)。

3 施工機具與工藝

3.1 施工機具

水力壓裂技術(shù)主要包括壓裂鉆孔鉆進、鉆孔開槽、封孔及高壓水壓裂四部分內(nèi)容，與之相應(yīng)的主要施工機具規(guī)格及數(shù)量如表1所示。

圖2 鉆孔布置圖

圖3 壓裂鉆孔示意圖

3.2 施工工藝

利用地質(zhì)鉆機進行鉆孔作業(yè)。待鉆孔完成后，鉆孔隊伍進行下一個鉆孔作業(yè)，在完成的鉆孔中安裝封孔器，利用手動泵和儲能器封孔，最后連接高壓泵實施壓裂。鉆孔作業(yè)和壓裂作業(yè)平行作業(yè)，作業(yè)間距應(yīng)不小于40 m。

水力壓裂使用3ZSB80/62-90型高壓水泵，具體參數(shù)詳見表2。

水泵電機功率為90 kW，給高壓水泵接電；水泵進水口接靜壓水，出水口接高壓膠管，高壓膠管的另一端連接注水鋼管，其中：高壓膠管與水泵出水口的連接為A型扣壓連接方式，與注水鋼管的連接為快速連接方式，連接處“O”圈密封；檢查各個連接處，連接無誤后給高壓水泵先通水再通電，調(diào)整正反轉(zhuǎn)，觀測水泵是否正常運作。

安裝、連接、調(diào)試工作結(jié)束后，連接注水鋼管將封孔器推送至預(yù)定位置(預(yù)裂縫處)；手動泵加壓封孔器，觀察鉆孔并監(jiān)測壓力表，檢驗封孔器能否保壓，若鉆孔中有水流出或壓力下降明顯，說明封孔失效，檢查封孔器各個連接處及封孔器本身，找出并解決問題，確保封孔器正常工作；距離壓裂孔50 m處拉警戒，試驗期間除作業(yè)人員外禁止人員通行，操作人員以及作業(yè)設(shè)備距離壓裂孔的距離應(yīng)在20 m以上，且位于支護條件良好的地方；給高壓水泵先通水再通電，然后慢慢加壓，同時記錄水泵壓力表以及手動泵壓力表數(shù)據(jù)，繼續(xù)加壓直至預(yù)裂縫開裂，這時壓力會突然下降，保壓注水使裂紋繼續(xù)擴展，同時也會軟化頂板。觀察到4個監(jiān)測孔幾乎同時冒出大量的水，停止加壓，壓裂結(jié)束。高壓水泵先斷電再停水，封孔器泄壓，然后退出鉆孔。

表1 主要施工機具

表2 3ZSB80/62-90型高壓注水系統(tǒng)參數(shù)

4 水力壓裂效果分析

4.1 水力壓裂效果監(jiān)測

壓裂過程中，可以通過觀測壓裂孔周圍已施工鉆孔出水情況，大致確定壓裂的范圍。

在本次水力壓裂施工過程中，有90%以上壓裂鉆孔的相鄰鉆孔有水流出，說明壓裂水能夠擴展至鄰近鉆孔，水力裂縫的擴展半徑可達10～20 m，保證裂縫有效貫通。

4.2 現(xiàn)場開采情況

截至目前，張家峁煤礦5-2煤層八采區(qū)已在大部分區(qū)段應(yīng)用水力壓裂弱化頂板的技術(shù)進行了施工，相應(yīng)區(qū)段內(nèi)資源已被采出，且頂板未出現(xiàn)大面積垮塌。由于采取了堆矸及密閉的方式，已經(jīng)將此采完區(qū)段封死，無法對其監(jiān)測，但根據(jù)分析，認(rèn)為該工況條件下，頂板不會發(fā)生因為煤柱失穩(wěn)而產(chǎn)生的大面積垮塌來壓事故；在頂板長期的蠕變作用、前期水力壓裂注水弱化及采動影響的綜合作用下，區(qū)段內(nèi)頂板將會發(fā)生彎曲破壞，而不是整體的大面積垮塌破壞。

根據(jù)前述分析，水力壓裂分界線同時將采空區(qū)頂板和開采區(qū)域頂板予以分割，避免了采空區(qū)頂板彎曲破壞變形影響開采區(qū)域頂板，保證了開采區(qū)域頂板的安全穩(wěn)定性，確保了現(xiàn)場作業(yè)區(qū)域的正常安全生產(chǎn)。

5 結(jié)論

通過對張家峁煤礦5-2煤層短壁工作面實施水力壓裂強制放頂可知，水力壓裂作為一種技術(shù)手段對于弱化煤層堅硬頂板并破壞其完整性、防止采空區(qū)頂板大面積垮塌具有良好的現(xiàn)場應(yīng)用效果。水力裂縫的擴展半徑可達10～20 m，能夠促進裂縫的有效貫通，將采空區(qū)頂板和開采區(qū)域頂板予以分割，保障了工作面正常作業(yè)安全，為同類條件下頂板的治理提供了參考。