采煤工作面水力預(yù)裂處理端頭懸頂技術(shù)

楊 偉

(山西西山晉興能源有限責任公司 斜溝煤礦，山西 呂梁 033000)

采煤工作面兩端頭經(jīng)常出現(xiàn)懸頂面積大，漏風嚴重，容易引起采空區(qū)遺煤自燃，當懸頂面積過大采空區(qū)突然冒落時又會造成頂板傷人事故。長久以來多數(shù)采煤工作面采用人工強制放炮處理懸頂，但爆破施工容易引發(fā)瓦斯爆炸。為解決斜溝煤礦18108工作面回采期間兩端頭懸頂問題，決定采用對兩端頭進行水力預(yù)裂的方法。

1 工作面概況

18108工作面材料巷寬5.2 m，高3.8 m，皮帶巷寬5.8 m，高3.8 m.兩巷采用錨桿、錨索、鋼帶、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護頂板，沿8#煤頂板布置，回采時端頭位置采用端頭支架(ZYT10800/25/50D)支護頂板。工作面綜合柱狀圖見圖1.

圖1 工作面綜合柱狀圖

2 水力壓裂原理

水力壓裂是在指定巖層中施工鉆孔，在鉆孔中安裝高壓封隔器。當高壓泵啟動時，高壓水會通過管路進入該封隔器，促使封隔器兩端的膠囊膨脹，兩端封堵鉆孔。當壓力逐漸升高至10 MPa時，封隔器中間段的壓力單向閥會自動開啟，高壓水通過閥眼進入鉆孔。水壓力逐漸升高至巖層的極限強度時，孔壁開裂，破壞其完整性，弱化其力學性能[1,2].

3 壓裂施工工藝

3.1 材料巷及皮帶巷水力壓裂布置

1)當采空區(qū)懸頂超過5 m2時，在材料巷機尾/皮帶巷機頭端頭架附近打眼進行水力預(yù)裂。

2)若材料巷機尾端頭/皮帶巷機頭首架距煤柱幫<0.4 m，需在距機尾/機頭端頭首架頂梁前方0.2 m，距煤柱幫0.4 m處施工水力壓裂孔；若機尾/機頭端頭首架距煤柱幫≥0.4 m，需在距機尾/機頭端頭靠超前架側(cè)切頂柱1 m，距煤柱幫0.4 m處施工水力壓裂孔；水力壓裂孔以80°角向采空區(qū)方向施工，孔徑45 mm，孔深8 m，眼間距5 m.

3)工作面割煤至距機尾/機頭30 m時，停機閉鎖設(shè)備，按照上述方法將水力壓裂孔施工好后，進行水力壓裂。材料巷水力壓裂布置圖見圖2,皮帶巷水力壓裂布置圖見圖3.

圖2 18108工作面材料巷水力壓裂布置圖

圖3 18108工作面皮帶巷水力壓裂布置圖

3.2 水力壓裂施工工藝

1)水力壓裂工藝。

壓裂系統(tǒng)主要包括：高壓泵(含高壓膠管、水箱和電控箱)、封隔器、安裝桿、實時監(jiān)控系統(tǒng)。施工流程:鉆孔—安裝封孔器—開泵壓裂—停泵卸壓—拆除設(shè)備，全部設(shè)備均可重復(fù)使用，初期投資不高，長期消耗率也較低。

工藝流程：水力壓裂工藝示意圖見圖4，壓裂系統(tǒng)主要包括：水力壓裂泵(含高壓膠管、水箱和電控箱)、封隔器、安裝桿、實時監(jiān)控系統(tǒng)。施工流程：打眼→安裝手動加壓封隔器→開泵壓裂→停泵卸壓→拆除1—2根無縫鋼管→開泵壓裂→停泵卸壓→拆除設(shè)備。

圖4 水力壓裂工藝示意圖

水力壓裂采用分段壓裂。由于基本頂厚度較大，需要多層壓裂，考慮到分段距離會導(dǎo)致壓裂縫的貫通，確定分段距離為3 m，即8 m深的水力壓裂孔分為2段壓裂。

2)設(shè)備安裝流程。

a)將手動加壓封隔器在前、無縫鋼管在后，按次序逐一螺紋連接，并伸至鉆孔內(nèi)，直至手動加壓封隔器觸到孔底。b)將最末端的無縫鋼管與帶有高壓管路的四通連接。c)安裝孔口鎖緊裝置，固定送裝桿。

3)壓裂流程。

a)關(guān)閉球閥(位于第1、2節(jié)高壓管路之間)。b)將泵的紅色手柄逆時針旋轉(zhuǎn)到底，使泵呈卸壓狀態(tài)。c)啟動水力壓裂泵。d)順時針緩慢旋轉(zhuǎn)紅色手柄，將泵的壓力逐漸升高，每升高10 MPa，保持1 min，同時注意觀察水力壓裂泵是否有異常；待泵壓升高至35 MPa后，保持30 min.e)30 min后，緩慢順時針旋轉(zhuǎn)紅色手柄，使泵的壓力逐漸降為0，然后關(guān)閉水力壓裂泵。f)打開球閥。g)拆掉1～2根無縫鋼管，將手動加壓封隔器后退2 m，進行第二次壓裂。

4)手動加壓封隔器使用步驟。

a)將細管和手動加壓封隔器連接起來。b)將手動加壓封隔器和無縫鋼管連接，送到壓裂位置，用孔口鎖緊裝置固定好。c)將手動泵順時針(向前)擰到底，然后開始手動打壓，直到5～10 MPa，關(guān)閉手動泵出水口的截止閥。d)關(guān)閉管路的截止閥，開水力壓裂泵壓裂。e)關(guān)閉水力壓裂泵，打開管路的截止閥。f)打開手動泵出水口的截止閥，并逆時針(向后)旋轉(zhuǎn)藍色閥門，這時手動加壓封隔器的水會回流至泵，使得手動加壓封隔器收縮。然后，移動拆卸無縫鋼管，更換位置壓裂。

4 水力壓裂施工

4.1 管路連接

1)嚴格按照礦用快接頭使用標準連接管路，管路連接完成后，將快接頭兩端的膠管用8#粗鐵絲固定兩道，防止接頭處因高壓脫開傷人；管路固定時要留有一定的富余量，防止管路因受壓膨脹導(dǎo)致接頭脫開。

2)管路連接中至少安裝一個卸壓閥，在水力壓裂完成，關(guān)閉水力壓裂泵后，必須先打開卸壓閥，對管路卸壓后再拆開管路。

3)管路連接好后，在正式開始施工前，必須再次檢查管路的連接和固定情況，尤其是管路接頭處的直通插銷要確保正確插好。

4.2 封 孔

1)水力壓裂孔封孔要用專用的手動加壓封隔器和安裝桿，封孔完畢后，要把孔口露出的安裝桿固定牢固。封孔的原則：封孔完畢，立即壓裂，壓裂完畢，卸壓檢查，立即拆除手動加壓封隔器，不宜久放。因為鉆孔一般有一定的角度，如果手動加壓封隔器和安裝桿沒有固定牢固，放置時間過久，一旦沖出巷道，容易撞傷行人。

2)孔內(nèi)設(shè)備安裝完畢后，用8#粗鐵絲固定牢固，最好固定不少于兩道鐵絲。固定完畢后，在封孔處臨近巷道20 m外及水力壓裂列車處警戒；水力壓裂期間，嚴禁人員通過或逗留，警戒范圍內(nèi)所有人員撤出。當水力壓裂泵完全卸壓后，方可對手動加壓封隔器和安裝桿進行拆除作業(yè)。待手動加壓封隔器和安裝桿拆除完成撤離警戒后，方允許其他人員通過。

3)如果因鉆孔變形，出現(xiàn)手動加壓封隔器和安裝桿取不出的情況，需要用木楔和水泥砂漿，將手動加壓封隔器和安裝桿封死在鉆孔中，防止沖出傷人。

4.3 壓 裂

第一段在鉆孔孔底7.5～8.0 m，封隔器送至孔底8.0 m處實施水力壓裂。開泵加壓后，泵站壓力從0持續(xù)升壓至35 MPa，并穩(wěn)定在35 MPa一段時間(22 min)，鉆孔周圍5 m范圍錨索淋水較為明顯。第二段在鉆孔孔底3.0～3.5 m，封隔器送至孔底3.5 m處實施水力壓裂。開泵加壓后，泵站壓力從0 MPa持續(xù)升壓至36 MPa，并穩(wěn)定在36 MPa一段時間(10 min)，鉆孔周圍7 m范圍錨索淋水較為明顯。

1)鉆孔施工或鉆孔水壓壓裂過程中，發(fā)現(xiàn)鉆孔中有大量賦存裂隙水流出時，立即斷電并停止作業(yè)，安排專人采用手動加壓封隔器封孔，其余人員立即撤離，確認施工壞境安全時，方可繼續(xù)作業(yè)。

2)鉆孔水壓壓裂完成后，必須用黃泥對鉆孔進行封堵，封堵長度從孔口處向里不低于1 m.

3)壓裂時，人員應(yīng)站在警戒范圍以外，防止高壓水或水力壓裂管竄出傷人。

4)水力壓裂過程中，由于泵壓較高，確保管路連接無誤。發(fā)現(xiàn)異常時，必須先停泵并完成卸壓，在確認停泵及管路沒有高壓時，方可處理異常情況。

5)壓裂時，要時刻觀察泵壓變化，出現(xiàn)異常時要及時停機，并打開回流閥卸壓，確認無誤后方可再次使用。

6)保證封孔效果，當手動加壓封隔器不好塞時，可在高壓膠管和手動加壓封隔器之間安裝耐高壓鋁管協(xié)助塞手動加壓封隔器。

7)壓裂完畢后，關(guān)閉水力壓裂泵撤出手動加壓封隔器之前，鉆孔周圍不允許有人，防止手動加壓封隔器滑出傷人。

8)做好水壓壓裂過程中的泵壓、頂板出水情況、壓裂時間等各項記錄。

9)開啟水力壓裂泵后，時刻注意鉆孔內(nèi)的高壓膠管，當發(fā)現(xiàn)高壓膠管下滑時，立即停泵卸壓，重新塞手動加壓封隔器至設(shè)計位置。

10)為防止手動加壓封隔器滑落，當手動加壓封隔器塞至孔內(nèi)指定位置后，使用鐵絲將高壓膠管捆綁在鉆孔附近的錨桿或者錨網(wǎng)上。

11)開啟水力壓裂泵之前，在確定將管路閥門等設(shè)施全部打開后，將泵壓調(diào)節(jié)旋鈕旋至最低，開啟水力壓裂泵后，應(yīng)逐級增壓，使得泵壓緩慢增加至設(shè)計壓力。

12)手動加壓封隔器使用要求：a)使用前應(yīng)仔細檢查封隔器是否有破損開口地方，使用時務(wù)必保證其完好無損。b)封隔器和高壓膠管連接處應(yīng)密封性良好，防止漏水。c)開啟水力壓裂泵時應(yīng)使得泵壓緩慢上升，關(guān)閉水力壓裂泵前應(yīng)使泵壓緩慢降低，避免壓力突變對水力壓裂泵和封隔器造成損傷。

13)水力壓裂泵使用要求：a)使用前應(yīng)仔細檢查水力壓裂泵電機正反轉(zhuǎn)，嚴禁反轉(zhuǎn)使用。b)電機接電開關(guān)必須是軟啟動開關(guān)，不能直接使水力壓裂泵電機硬啟動。c)開啟水力壓裂泵時應(yīng)使泵壓緩慢上升，關(guān)閉水力壓裂泵前應(yīng)使泵壓緩慢降低，避免壓力突變對水力壓裂泵和封隔器造成損傷。

5 效果分析

為驗證水力壓裂效果，進行鉆孔窺視，分析水力壓裂后，鉆孔內(nèi)裂隙發(fā)育及破壞情況。

5.1 窺視結(jié)果分析

鉆孔窺視結(jié)果見圖5,6,7.由圖5,6,7可以看出在孔深3.0～3.5 m、7.0～8.0 m，鉆孔內(nèi)出現(xiàn)了裂隙。水力壓裂后，壓裂鉆孔內(nèi)均出現(xiàn)了較為明顯的導(dǎo)通裂隙帶，裂隙寬度為1～5.5 mm.通過實施高壓注水的方式，鉆孔內(nèi)巖體受高壓注水壓力作用，沿鉆孔軸向發(fā)生破裂，產(chǎn)生明顯的水壓裂縫，數(shù)量為1～3條，寬度為1～5.5 mm.

圖5 孔口處窺視圖

圖6 孔深3～3.5 m處窺視圖

圖7 孔深7.0～8.0 m處窺視圖

5.2 效果分析

水力壓裂切頂卸壓技術(shù)和深孔預(yù)裂爆破切頂卸壓技術(shù)相比有以下優(yōu)勢：1)成本更低。該技術(shù)方案單孔成本耗材費用僅為104元，和深孔爆破預(yù)裂技術(shù)成本耗材費用相比，節(jié)約了2/3，延米計算成本僅為1/8.2)更加安全。使用水力壓裂做到了就地取材，減少了礦井炸藥和雷管的使用量，改善了工人的作業(yè)環(huán)境，解決了火藥采購難和爆破作業(yè)帶來的危險性，也可以避免深孔預(yù)裂爆破造成的工作面局部頂板巖層破壞和空氣污染問題。3)省時省力。水力壓裂切頂卸壓每7～10 m施工1個鉆孔，深孔爆破預(yù)裂切頂卸壓每0.8 m施工1個鉆孔，降低了預(yù)裂頂板鉆孔打設(shè)個數(shù)，單孔控制范圍大，并且不干擾工作面正常生產(chǎn)及周邊工程正常施工，提高了工作效率。4)切縫效果更加明顯。根據(jù)兩種技術(shù)方案窺視影像，可明顯看出水力壓裂切縫更加清晰完整，孔壁開裂效果好，水壓裂縫沿著豎向擴展延伸，從而切斷厚硬的中粗粒砂巖層，促使其及時斷裂垮落。

6 結(jié) 語

水力壓裂切頂卸壓技術(shù)在斜溝礦的使用，在降低成本，提高作業(yè)安全系數(shù)的同時也減輕了工人勞動強度，安全有效地解決了采煤工作面兩端頭懸頂面積過大的問題。