淺埋深堅硬頂板定向長鉆孔水力壓裂技術(shù)應用

文/王生彪

神東礦區(qū)淺埋煤層群開采存在上覆遺留煤柱，上下煤層間距相對較小，開采時相互影響較大，開采過程中存在礦壓顯現(xiàn)強烈、圍巖變形，工作面液壓支架活柱短時間內(nèi)大幅下縮，甚至可能發(fā)生支架壓死、設(shè)備損壞等事故，嚴重威脅煤礦安全生產(chǎn)。神東煤炭集團榆家梁煤礦就面臨該問題。

榆家梁煤礦4-3煤層上覆4-2煤遺留的跳采及房式開采遺留煤體煤柱，會形成高應力區(qū)，對煤柱下方工作面的安全開采造成威脅。為減弱工作面上覆4-2煤層遺留煤柱區(qū)域在回采過程中發(fā)生強礦壓顯現(xiàn)問題，保證工作面正常安全生產(chǎn)，實施煤層堅硬頂板弱化技術(shù)工程應用項目，開展定向長鉆孔水力壓裂技術(shù)實踐，對煤層堅硬頂板進行弱化，以緩解上覆遺留煤柱所造成的應力集中，保障工作面安全回采。

一、工作面概況

榆家梁煤礦4-3煤層為中厚偏薄煤層，煤層傾角1°～3°，煤層厚度1.5～1.85m，平均1.7m，工作面煤層穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單。

43202工作面位于榆家梁井田東北部。工作面回采長度為1756.4m，工作面寬298.3m，回采面積52.39萬m2。東南側(cè)為43201工作面；西側(cè)為備采的43203工作面。

4-3煤層與上覆4-2煤層間距15.3～19.5m，平均16.6m。43202工作面煤層直接頂板為中粒砂巖，灰白色，以長石、石英為主，分選性中等，次棱角狀，泥質(zhì)膠結(jié)。43202工作面煤層直接頂平均厚度5.20m。老頂為灰白色細砂巖，成份以石英為主，長石次之，含少量巖煤屑，分選中等，次圓狀，泥質(zhì)膠結(jié)，斜層理。老頂厚度3.7～5.1m，平均4.5m。工作面煤層直接底為深灰色泥巖，含巖屑及植物化石，遇水泥化嚴重，厚度0.7～3.5m，平均厚度2.1m。

二、頂板水力壓裂工藝及設(shè)計

1.壓裂工藝

采用雙封單卡多點拖動管柱分段水力壓工藝。雙封單卡多點拖動式頂板分段水力壓裂技術(shù)工作原理是在施工完成定向鉆孔，將壓裂工具串送入指定位置后，通過雙封隔器單卡壓裂目標層位段，利用在封隔器中設(shè)計平衡泄壓通道，使高壓管柱壓裂液與封隔器壓力平衡傳遞，實現(xiàn)“即壓即封、卸壓解封”。

當高壓壓裂液達到3MPa后封隔器完全坐封，繼續(xù)增壓，使壓力達到5MPa后，限流器打開，完成壓裂段的壓裂施工；壓裂施工過程中，高壓壓裂液不斷注入頂板巖層中，促使作用于巖層的水壓力逐漸升高，當壓力大于巖層破裂壓力后，巖層的彈性余能以動能形式釋放，表現(xiàn)為巖體壓縮破裂、引起振動等動力現(xiàn)象，促使巖層產(chǎn)生新的裂縫系統(tǒng)，破壞巖層整體完整性，降低其強度；當施工完成第一段壓裂工作后，關(guān)閉壓裂孔口壓裂泵注設(shè)備，使孔口排水卸壓，封隔器自動回彈至原有規(guī)格；借助定向鉆機拖動孔口高壓管柱，拖動封隔器至設(shè)計位置，施工第二段壓裂工作，依次施工完成設(shè)計施工段的壓裂工作，相鄰壓裂段形成三維立體連續(xù)性巖層裂縫，實現(xiàn)煤層堅硬頂板的有效弱化。

2.工程設(shè)計

通過井下踏勘，并對工作面地質(zhì)說明書、鉆孔柱狀圖等地質(zhì)資料進行分析，結(jié)合工作面回采進度情況，綜合頂板關(guān)鍵層判識結(jié)果，針對43202工作面上覆煤層遺留煤柱等易發(fā)生強礦壓顯現(xiàn)問題位置，提出鉆孔布置方案。

43202工作面布置鉆場1個，設(shè)計鉆孔4個；43203工作面布置鉆場3個，設(shè)計鉆孔7個。設(shè)計孔徑96mm，孔口一開96mm鉆進至直接頂，二開擴孔153mm，下127mm套管跨過巖層10m。套管侯凝結(jié)束后按照設(shè)計軌跡一開96mm鉆進至終孔，鉆孔壓裂目標層位為4-3煤層頂板以上6m處細粒砂巖。方案具體設(shè)計內(nèi)容如下。

（1）鉆場位置：榆家梁煤礦43202工作面1號鉆場位于43202主運順槽20聯(lián)巷。

（2）鉆孔分布：1號鉆場布置鉆孔4個，單孔長度270～360m。鉆孔均位于上覆4-2煤層遺留保護煤層正下方，鉆孔剖面上位于4-3煤層頂板6m。

（3）鉆孔間距：1號鉆場內(nèi)相鄰鉆孔間距平均32m，其中T1與T2間距35m，T2與T3間距37.5m，T3與T4間距24.6m。

三、壓裂效果評價

1.壓裂監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

通過遠程操控計算機，應用壓裂數(shù)據(jù)的自動監(jiān)測和記錄功能，監(jiān)督水力壓裂過程，獲得整個水力壓裂施工過程中的壓力及流量變化曲線。通過分析鉆孔壓裂監(jiān)測曲線可知，當開啟高壓注水泵，首先膨脹封隔器，壓力緩慢上升，當封隔器完全膨脹坐封后，壓力驟然上升達到21.32MPa，然后降至10MPa左右，說明孔內(nèi)壓裂段圍巖發(fā)生明顯破裂。繼續(xù)注水壓裂憋壓，壓力上升至20MPa，壓裂過程中伴隨多次明顯降壓點，最大降壓達到11.23MPa，說明該段水力壓裂確實對頂板形成了有效的破裂，并且通過多次壓降，形成的裂縫也充分得到延伸，達到了工程施工效果。

2.壓裂現(xiàn)場效果分析

現(xiàn)場壓裂施工過程中，通過對臨近鉆孔出水情況進行觀測，反映了本次壓裂治理范圍。本次項目執(zhí)行中發(fā)現(xiàn)鉆孔在壓裂過程中，經(jīng)過數(shù)次壓裂明顯降壓后，發(fā)現(xiàn)其臨近孔出現(xiàn)出水情況。根據(jù)現(xiàn)場實際監(jiān)測情況，各臨近鉆孔出水范圍在17～62m，說明各壓裂鉆孔之間裂縫已經(jīng)形成了導通。

3.礦壓特征分析

在43202工作面回采過程中，借助礦壓監(jiān)測系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測支架壓力，對比回采進入壓裂施工區(qū)域前后的情況，整體評價壓裂效果，主要對比參數(shù)包括回采過程來壓強度、來壓步距、動載系數(shù)等。

（1）43202工作面礦壓分布特征。

①支架阻力分布特征。根據(jù)采集的井下跟蹤監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果，繪制出43202工作面支架阻力變化云圖。由43202工作面礦壓數(shù)據(jù)云圖可知，工作面回采在1200～1500m未壓裂區(qū)域過程中，工作面整體來壓范圍廣泛，來壓強度大，工作面回采在1350m附近，出現(xiàn)大面積礦壓高值區(qū)（400～450bar）。工作面周期來壓期間，支架的載荷為360～505bar，平均值為432.5bar，整體在30～150支架之間。

當工作面回采經(jīng)過煤柱區(qū)域時原本會出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，相較未進入煤柱區(qū)域有所增大，會出現(xiàn)大面積應力集中區(qū)，導致支架阻力增大。但本次在43202工作面1600～1700m處布置了壓裂鉆孔3個，由該區(qū)域?qū)闹Ъ茏枇ψ兓瘓D可知，通過進行水力壓裂后，在三個壓裂鉆孔位置均出現(xiàn)支架阻力低值區(qū)，同時也促使壓裂范圍內(nèi)的高應力集中區(qū)向低應力區(qū)轉(zhuǎn)移，避免出現(xiàn)大面積高應力區(qū)，使得整體壓裂范圍內(nèi)應力分布更加均勻，來壓強度明顯降低。

根據(jù)地表塌陷和工作面推進對比圖，當回采至壓裂治理區(qū)域，將每日推進位置與實際地面塌陷位置對比可以看出，經(jīng)過水力壓裂弱化治理后，工作面塌陷較理想，工作面來壓為超前來壓，約超前工作面5m。

②礦壓參數(shù)特征分析。為了更好地分析堅硬頂板分段壓裂弱化效果，本次主要從頂板周期來壓步距、周期來壓強度、支架動載系數(shù)等方面，進行壓裂前后對比分析（選取在壓裂范圍5次周期來壓數(shù)據(jù)），如表1所示。

表1 43202壓裂鉆場礦壓評價數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表1數(shù)據(jù)結(jié)果分析可知，在未壓裂區(qū)域與壓裂區(qū)域分別取5次周期來壓進行分析對比，從來壓步距上看，發(fā)現(xiàn)未壓裂區(qū)域來壓步距在7.2～10.4m，動載系數(shù)在1.23～1.37之間；壓裂區(qū)域來壓步距在4.0～7.2m，動載系數(shù)在1.20～1.25之間。均值上，壓裂區(qū)域較未壓裂區(qū)域來壓步距降低了41%，動載系數(shù)降低了5%，來壓時的支架阻力也有所減少。實際工作面回采過程中，未發(fā)生明顯的底鼓和幫鼓現(xiàn)象，印證了壓裂施工的良好效果。

（2）壓裂鉆孔對應支架阻力變化。43202工作面1號鉆場沿工作面傾向布置，因此將工作面壓裂區(qū)域分為上、中、下三個區(qū)域，三個支架阻力測線分別作為三個區(qū)域代表，分析壓裂前后來壓強度變化，評價壓裂效果。

43202工作面共布置175個支架，取43#、87#、131#三個支架阻力測線分別作為三個區(qū)域代表，可以得出工作面上、中、下區(qū)域來壓情況整體基本一致，在回采至壓裂區(qū)域（煤柱區(qū)域）時，支架阻力并無增大現(xiàn)象。同時壓裂區(qū)域與未壓裂區(qū)域相比，壓裂后支架阻力在200～350bar之間，阻力值有所增加，且整體較未壓裂區(qū)域支架阻力變化更加穩(wěn)定。通過壓裂工藝分析可知，壓裂裂縫的形成，促使工作面頂板來壓強度重新分布，分布更加均勻，使回采過程中來壓均勻穩(wěn)定，規(guī)避或減弱上覆遺留煤柱造成的強礦壓顯現(xiàn)。

四、結(jié)論

通過雙封單卡多點拖動式裝置，對單孔實現(xiàn)了多段、精準、高壓狀態(tài)下的超長鉆孔分段壓裂施工，實現(xiàn)對43202工作面水力壓裂弱化治理，結(jié)合礦壓監(jiān)測研究，綜合井下生產(chǎn)實際監(jiān)測情況可知，水力壓裂施工效果明顯。

1.本次水力壓裂施工中，各段注水壓力達到16.8～22.48MPa時巖層開裂，之后壓力呈現(xiàn)周期性鋸齒變化，此時微裂縫形成并擴展。隨著周期性微裂縫的形成，伴隨持續(xù)注入高壓注水，壓力增加至16.8～22.48MPa后突降，巖層明顯出現(xiàn)破裂。隨后在持續(xù)的高壓注水作用下，巖層呈現(xiàn)“鋸齒微裂縫周期性形成—明顯破裂”的變化規(guī)律。通過對壓力變化分析，孔內(nèi)巖層破裂明顯，且形成一定規(guī)模裂縫，對上覆煤柱集中應力進行有效釋放。同時通過礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)43202工作面壓裂區(qū)域較未壓裂區(qū)域來壓步距降低了27%，動載系數(shù)降低了7%；壓裂區(qū)域相比未壓裂區(qū)域，整體壓力分布均勻，來壓強度明顯降低。

2.根據(jù)現(xiàn)場反饋情況，實際回采過程中壓裂治理區(qū)域頂板垮落良好，并未出現(xiàn)強礦壓顯現(xiàn)問題，初步驗證了水力壓裂的弱化效果，同時保障了礦井安全回采。