水力壓裂技術在東龐礦21215綜采工作面的應用

冀中能源集團東龐礦 河北 邢臺 054200

1 概況

東龐礦設計生產能力180萬t/年。礦井開拓方式為立井加暗斜井多水平開采,礦井分三個水平開采,現階段主要開采采區在11采區、12采區,三水平為主要采掘戰場。2017年12月由高瓦斯礦井升為瓦斯突出礦井,2018年核定生產能力為390萬t/年。

21215 工作面位于12采區左翼,工作面東南到21217工作面(已回采),西南鄰-480二期輔助皮帶巷,東北鄰12采區軌道巷,西北到21213工作面(已回采),。工作面設計傾斜長度218m,回采推進長度1120m,該工作面煤層賦存標高為-570～-460m。21215工作面皮帶巷與12采區軌道巷平行布置,留有100m保護煤柱。為減小21215工作面回采后動壓影響、解決21215工作面隅角頂板懸頂面積大,頂板大面積垮落造成瓦斯積聚及頂板管理難題,東龐礦在21215工作面皮帶巷頂板進行了水力壓裂施工。

2 水力壓裂參數設計

鉆孔孔距與濕潤半徑有關,一般情況下孔距可選擇濕潤直徑的2/3～3/4。孔徑根據使用封孔器的直徑選擇。鉆孔仰角根據現場實際情況而定。

壓裂效果與頂板水力壓裂高度有直接關系,距離巷道頂板太近或太遠均不利。壓裂區一般應離巷道頂板或支護體以上5m,否則容易造成頂板不易維護。

水力壓裂保壓持續時間的長短直接影響軟化效果,具體保壓持續時間、注入水量根據現場實際情況而定,此期間若出現頂板、煤幫或鉆孔中滲水馬上停止壓裂

東龐礦21215工作面皮帶巷壓裂鉆孔布置于皮帶巷兩幫,孔間距為15m,兩幫鉆孔交錯布置,孔深40m,仰角為50°。回采幫側鉆孔垂直巷幫施工,非回采幫側鉆孔與煤柱夾角為10°。選擇基本頂為壓裂巖層,根據現場實際情況調整壓裂時間和壓裂位置,不得影響巷道安全。超前工作面推進施工水力壓裂,對頂板巖層積聚的彈性能進行預先釋放。

21215工作面切眼布置壓裂鉆孔13個。仰角30°,深36m孔3個;仰角50°,深40m孔6個;仰角40°,深45m孔4個。用于軟化、破壞頂板完整性,使工作面初采期間頂板能夠及時均勻的垮落。

3 水力壓裂施工設備及工藝流程

施工鉆孔設備為ZDY1200S鉆機,采用直徑為56mm的鉆頭。頂板水力壓裂由封孔、高壓水壓裂、保壓注水三個環節組成,由高壓水泵、手動泵、手動泵、水泵壓力表、蓄存壓裂介質儲能器、高壓供水膠管以及封孔器組成壓裂系統。

施工工藝流程:

1)連接安裝封孔器接靜壓水對封孔器進行排氣、試壓,通過高壓膠管將封孔器與連接好的手動泵和儲能器連接。

2)調試工作完成,然后接上注水鋼管,推送封孔器到預定位置。

3)封孔器用手動泵加壓到10-16MPa后停止加壓,檢驗封孔器氣密性是否完好,確保封孔器可以保壓。

4)壓裂期間禁止無關人員通過,并在距離壓裂孔20m處專人站崗警戒。

5)打開水壓儀開關,緩慢加壓直到壓裂段巖體開始裂紋,壓力突然變低,再繼續保壓注水30min使裂紋擴展,此期間若出現頂板、煤幫或鉆孔中滲水馬上停止壓裂。

6)壓裂工作完成后,所有設備恢復零位。

4 效果分析

1)工作面切眼壓裂效果分析。工作面切眼采用水力壓裂后,21215工作面相對以前其它工作面垮落規律,直接頂、老頂初次垮落步距均大幅減小,并且跨落更加均勻,杜絕了初采期間因頂板大面積垮落造成隅角瓦斯積聚,同時很好的抑制了工作面初采期間爆破強制放頂的不安全因素。

2)巷道壓裂效果分析。回采工作面隅角瓦斯一直是瓦斯管理的重點難點,雖然工作面上下巷采取了超前退錨的措施,但采空區順巷頂板始終存在較大面積懸頂不落的情況,加大了工作面回風隅角的瓦斯管理的難度。頂板采用水力壓裂后,皮帶巷隅角頂板隨采隨冒落,工作面回采期間隅角瓦斯保持在0.6%以下,很好的改善了以前隅角瓦斯常超限的局面。同時還減少了工作面回采過程中皮帶巷的超前臥底、擴幫量。

3)巷道壓裂對鄰近巷道的保護。21215工作面距離12采區軌道巷的距離為100米,由于礦井主要生產區域集中在12采區,一旦12采區軌道巷遭到破壞,將嚴重影響礦井的整體生產水平。

21215 皮帶巷水力壓裂技術實施后,針對12采區軌道巷變形情況,我礦在該巷道共布置8個圍巖觀測站,經數據觀測分析對比,頂幫無明顯變形,僅巷道底鼓300mm,保證了巷道正常使用。