水力壓裂技術在工作面上隅角頂板治理中的應用

王全明

(山西晉煤集團趙莊煤業有限責任公司 趙莊二號井,山西 長治 046600)

1 問題的提出

晉煤集團趙莊二號井西翼盤區瓦斯含量大,采煤工作面在回采過程中由于一次采高大,工作面頂板直接冒落的矸石難以充填滿采空區,頂板以一定角度向采空區傾斜,形成懸臂梁,造成回采工作面推進過程中回風順槽上隅角經常會出現頂板不能及時垮落現象,導致采空區后方懸頂面積增大容易造成瓦斯積聚。為了讓順槽巷道頂板及時垮落,上隅角懸頂處目前均采用爆破方法進行處理,但該方法存在很大安全隱患。在瓦斯積聚區域進行火藥爆破,極易造成瓦斯爆炸事故,如何更高效、更安全處理上隅角頂板成為當前急需解決的問題。

水力壓裂是指裂縫由于其內部液體壓力的作用而開裂并擴展的過程,由于應用領域的不同,有時也稱作水壓致裂或水力劈裂[1-3]。水力壓裂作為經濟有效的煤礦堅硬難垮頂板控制技術,已在國外推廣應用,可彌補爆破控頂等技術的不足[4-7]。結合水力壓裂技術處理堅硬頂板的實踐成果[8-10],采用水力壓裂技術對趙莊二號井23012回風順槽進行水力壓裂,處理巷道頂板上隅角使其及時垮落,解決工作面上隅角瓦斯聚集問題。

2 工程概況

趙莊二號井2301工作面埋深484.81 m～519.85 m,平均深度500 m左右。主采3#煤層層厚0.35 m～5.73 m,煤層頂板主要是深灰色泥巖、砂質泥巖和粉砂巖,局部為砂巖,圖1為工作面巖層巖性綜合柱狀圖。底板主要為黑色泥巖、砂質泥巖,深灰色砂巖。煤層頂板巖層分層較少,整體性較好,頂板巖層強度在20.4 MPa～97.4 MPa之間。

圖1 工作面巖層巖性綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive column diagram of rock lithology of the working face

采用SYY-56型小孔徑水壓致裂地應力測試裝置,在直徑56 mm的鉆孔中選擇比較完整的孔段進行地應力測量,一般情況下要大于巷道跨度的1.5倍～2.5倍。封孔后采用高壓泵向測試段注水直至巖石破裂,進行3～4次裂縫重張試驗,記錄壓力數據。采用印膜器確定初始壓裂裂紋位置,將印模膠筒上的基線和裂紋跡線描在薄膜上,以測取裂紋與基線的夾角,根據電子羅盤北向與基線夾角和基線與裂紋之間的夾角,便可確定裂紋的方位角。

圖2 地應力測點與23012巷相對位置關系Fig.2 Relative positions between geostress points and roadway 23012

圖2為3組地應力測點位置,測試結果數據如表1所示。測試結果顯示,三個測點的最大水平主應力最大值為14.78 MPa,最小值為13.02 MPa;最小水平主應力最大值為7.58 MPa,最小值為6.71 MPa,應力量值屬于中等應力值,最大水平主應力方向均為北偏東方向,應力場類型以自重應力場為主。

表1 現場測試結果Table 1 Field test results

根據最大拉應力準則:當孔壁處最大拉應力σmax達到巖石抗拉強度σt時,裂縫在孔壁處起裂[11],即:

σmax=σt.

(1)

σmax與地應力大小和方向以及水壓有關,由式(1)可確定壓裂參數。

3 水力壓裂方案設計及施工

3.1 壓裂方案設計

依據上述工作面頂板巖層的強度、結構及其地應力場,選擇巖層孔壁完整段進行現場定向水力壓裂。壓裂施工地點在23012回風順槽超前支護范圍外,第一階段壓裂施工距離60 m,第二階段施工距離120 m,第三階段施工距離70 m,除部分泥巖頂板段外。

圖3為23012回風順槽壓裂鉆孔采取雙側布置的方式示意圖。

3-a 平面圖

3-b 剖面圖

3-c 斷面圖圖3 23012回風巷壓裂鉆孔布置示意圖Fig.3 Diagram of fracturing drilling in return airway 23012

在巷道靠近煤柱側布置兩排鉆孔,采用深淺孔交錯布置,深淺孔間距5 m。煤柱側鉆孔(淺孔)布置在頂幫連接處開孔,鉆孔直徑75 mm,鉆孔長度為20 m,垂直煤幫,仰角角度為70°～80°,孔間距為10 m;工作面側鉆孔(深孔)在頂板開孔,位置距煤柱側巷幫1 m,鉆孔直徑75 mm,鉆孔長度為48 m,鉆孔平行巷道軸線方向,仰角角度為60°,孔間距為10 m。為保證壓裂效果,壓裂鉆孔內壓裂順序為由內而外,每3 m壓裂一次,每次壓裂時間為30 min。同時對于48 m深孔來說,孔口至孔內8 m范圍內不進行壓裂,對于20 m孔來說孔口至孔內7 m范圍內不進行壓裂。壓裂作業需超前回采工作面50 m以上。為保證上隅角頂板及時垮落,在切頂架支設前將回風巷錨桿卸除螺母、錨索退錨。

3.2 現場施工工藝

頂板壓裂實施分段逐次壓裂法,采用膨脹型跨式封孔器進行封孔,壓裂施工工藝,見圖4。

圖4 施工工藝Fig.4 Construction technology

具體施工工藝過程為:

1)利用地質鉆機、堅硬巖石專用鉆頭在需壓裂位置的頂板上打孔。根據封孔器的封孔直徑要求,鉆頭直徑為75 mm。

2)封孔。根據井下施工條件,采用膨脹介質為水、由纖維加強的橡膠材料為彈性膜的跨式膨脹型封隔器進行壓裂段封孔,見圖5。

圖5 跨式膨脹型封隔器封孔示意圖Fig.5 Diagram of sealing with straddle expansion packer

將橡膠封孔器置于預定封孔位置,接靜壓水對封孔器進行排氣、試壓,查看封孔器是否漏水,回水是否通暢,保證運作正常。通過注水泵將水壓入封孔器至10 MPa,觀察鉆孔并監測壓力表,檢驗封孔器能否保壓,確保封孔器正常工作。

3)壓裂。壓裂是利用壓裂系統能夠提供大流量、高水壓的泵提供高壓水,然后通過超高壓膠管、無縫輕便的注水鋼管以及壓裂鋼管進行壓裂,通過泵的壓力表或水壓儀的壓力曲線監測堅硬頂板的壓裂過程,頂板被高壓水壓裂后水壓會突然下降,水泵處于開啟狀態,自動增壓并保壓,在高壓水的作用下,堅硬頂板的裂紋不斷擴展,并且不斷有新裂紋產生。

現場施工過程中對每一個壓裂孔詳細記錄了作業時間、水壓值、注水流量等重要參數,以便更好指導下一步壓裂施工。監測表明,砂巖頂板區深孔底部壓裂段最大水壓34 MPa,淺孔底部最大水壓18 MPa。泥巖頂板孔底區域施工水壓相對較小,壓裂過程最大水壓值范圍20 MPa～26 MPa。

4 壓裂效果現場監測

4.1 上隅角垮落效果

現場觀測結果表明,目前2301回采面已完全推過壓裂區范圍(回采里程300 m～600 m內約250 m),上隅角頂板先后賦存砂巖、泥巖等不同地質條件,除局部泥巖段垮落效果不理想外,實現了懸頂面積不大于10 m2的技術指標。

4.2 離層監測

為充分掌握壓裂區巷道圍巖變形情況,從水力壓裂點開始每隔50 m布置一組離層儀,監測頂板離層量,其中4號板離層儀監測結果見圖6。

6-a 23012巷02號巷道頂板離層儀監測圖

6-b 23012巷04號巷道頂板離層儀監測圖圖6 回采過程頂板離層儀監測曲線Fig.6 Monitoring curves of the roof separation indicators in the mining process

離層儀監測結果表明,1號～3號離層儀深部最大離層量28 mm,淺部最大離層值12 mm。第4號離層儀受采動影響的最大啟動距離110 m;回采面端頭深部最大離層量140 mm,淺部最大離層值72 mm。且急劇增大階段該離層儀處于超前支護范圍內。頂板水力壓裂超前施工能夠滿足安全生產要求。

4.3 位移監測

在超前段每隔30 m～70 m布置一組位移測站,監測巷道圍巖變形量,其中23012巷4號巷道表面位移測站的監測結果見圖7。

圖7 回采過程回風巷道位移監測曲線Fig.7 Monitoring curves of the return airway displacement in the mining process

巷道表面位移監測得出,工作面回采過程中,巷道兩幫最大移近量為385 mm,頂底板最大移近量275 mm,且變形急劇增大階段處于巷道超前支護范圍內。整體上23012巷回采面端頭巷道寬度不小于4 000 mm,高度2 500 mm～3 000 mm,完全能夠滿足安全生產要求。

5 結論

1)針對趙莊二號井回采工作面推進過程中回風順槽上隅角頂板不能及時垮落的問題,并基于現場地質力學測試和評估,設計了水力壓裂方案和施工工藝。

2)現場監測表明,水力壓裂后的工作面懸頂面積不大于10 m2,說明采用采用水力壓裂技術對頂板實施分段逐次壓裂,可以有效解決回風順槽上隅角頂板不能及時垮落的問題。

3)巷道圍巖變形監測結果表明,水力壓裂技術不但能控制巷道上隅角的懸頂面積,而且能滿足回采巷道超前段在服務期限內對安全生產的要求。