張家峁煤礦短壁工作面水力壓裂技術應用研究

于 水 張 健 王 悅 苗彥平 李 軍

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

陜西神木張家峁煤礦地處陜北神府礦區，礦井存在大量不規則邊角煤塊段，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則，無法布置正規的綜合機械化開采工作面。目前采用傳統旺格維利開采工藝對該部分資源回收，卻面臨采空區堅硬頂板難以垮落，容易形成大面積冒落隱患的問題。

水力壓裂作為經濟有效的堅硬難垮頂板控制技術已在國內外推廣應用，可彌補上述技術的不足，實踐證明是成功有效的，已在生產實踐中顯示出良好的技術經濟和社會效益。實踐結果表明，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5-2煤層北翼，煤層賦存較穩定，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，已完成對一采區至六采區和九采區的回采，累計完成回采產量162萬t，剩余七采區和八采區回采面積19萬m2，地質儲量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，屬不穩定型-較穩定型(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，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容，與之相應的主要施工機具規格及數量如表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

利用地質鉆機進行鉆孔作業。待鉆孔完成后，鉆孔隊伍進行下一個鉆孔作業，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。鉆孔作業和壓裂作業平行作業，作業間距應不小于40 m。

水力壓裂使用3ZSB80/62-90型高壓水泵，具體參數詳見表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，調整正反轉，觀測水泵是否正常運作。

安裝、連接、調試工作結束后，連接注水鋼管將封孔器推送至預定位置(預裂縫處)；手動泵加壓封孔器，觀察鉆孔并監測壓力表，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，試驗期間除作業人員外禁止人員通行，操作人員以及作業設備距離壓裂孔的距離應在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據，繼續加壓直至預裂縫開裂，這時壓力會突然下降，保壓注水使裂紋繼續擴展，同時也會軟化頂板。觀察到4個監測孔幾乎同時冒出大量的水，停止加壓，壓裂結束。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型高壓注水系統參數

4 水力壓裂效果分析

4.1 水力壓裂效果監測

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 現場開采情況

截至目前，張家峁煤礦5-2煤層八采區已在大部分區段應用水力壓裂弱化頂板的技術進行了施工，相應區段內資源已被采出，且頂板未出現大面積垮塌。由于采取了堆矸及密閉的方式，已經將此采完區段封死，無法對其監測，但根據分析，認為該工況條件下，頂板不會發生因為煤柱失穩而產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，區段內頂板將會發生彎曲破壞，而不是整體的大面積垮塌破壞。

根據前述分析，水力壓裂分界線同時將采空區頂板和開采區域頂板予以分割，避免了采空區頂板彎曲破壞變形影響開采區域頂板，保證了開采區域頂板的安全穩定性，確保了現場作業區域的正常安全生產。

5 結論

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手段對于弱化煤層堅硬頂板并破壞其完整性、防止采空區頂板大面積垮塌具有良好的現場應用效果。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，將采空區頂板和開采區域頂板予以分割，保障了工作面正常作業安全，為同類條件下頂板的治理提供了參考。