“鉆-切-壓”定向水力壓裂頂煤弱化技術應用研究

許紅杰

(1.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院開采研究分院，北京 100013)

綜放開采技術已成為我國現階段實現高產高效礦井建設和進行采煤工藝改革的有效途徑，是國有重點煤礦降低成本、實現減人增效的有效方法。然而，厚煤層的綜放開采仍面臨著高含矸率、低回收率的現象。為提高頂煤回收率，國內外學者針對頂煤弱化開展了大量的研究實踐工作，試驗了包括深孔炸藥爆破、二氧化碳致裂、產氣劑爆破弱化、水力壓裂等多種頂煤弱化方法。試驗表明，從操作工藝、安全性角度考慮，深孔爆破頂煤弱化技術是實現難冒煤層高回收率回采的較為有效途徑，該技術是在工作面頂煤中布置工藝巷或在巷道中開挖鉆場，進行深孔頂煤爆破，達到頂煤弱化的目的。深孔爆破技術可以滿足高產高效放頂煤工作面對頂煤弱化處理的要求，但該技術存在成本高、可控性差、放炮過程中易產生大量粉塵，惡化工作面環境，在高瓦斯礦井中極易引發瓦斯爆炸等諸多缺點。

近年來，隨著各省份對炸藥管控力度加大及煤礦安全形勢的需要，采用爆破手段進行頂煤弱化的礦區逐漸減少。在堅硬厚煤層綜放開采礦區面臨著無炸藥可用、頂煤無弱化手段下回收率低的尷尬境地。因此“鉆-切-壓”定向水力壓裂技術作為一種綠色、安全的頂煤弱化技術手段成為了探討的焦點。

目前，國內開展的水壓致裂技術多是單純的鉆孔取桿后在設定的鉆孔封隔段內進行壓裂，由于壓裂鉆孔內巖石基本處于三軸應力狀態，在原應力原生裂隙下開展壓裂效果有限。當前國內水壓致裂技術多應用于堅硬頂板的弱化處理、沖擊地壓礦井的卸壓防沖、臨空巷卸壓等領域，由于煤體裂隙的存在，針對水壓致裂頂煤弱化方面的研究少有報道，尤其是通過“鉆-切-壓”手段開展頂煤弱化方面的研究未見報道。論文以神樹畔煤礦為工程背景，利用高壓水射流與水力壓裂相結合的“鉆-切-壓”一體化水力壓裂技術，開展了榆神礦區堅硬頂煤弱化技術應用研究，并通過直觀窺視、裂隙掃描、回收率統計對頂煤弱化效果進行驗證，以期探討“鉆-切-壓”定向水力壓裂技術在頂煤弱化中的可行性。

1 工程概況

神樹畔煤礦3107工作面位于3#煤層31盤區，工作面采用綜采放頂煤開采，煤層埋藏深度152～236m，厚度10.52～11.75m，平均11.39m，煤層傾角平均1°，普氏硬度系數1.6～3.0。煤層直接頂以泥巖及粉砂質泥巖為主，厚6.67～8.38m，平均厚度7.53m，飽水及干燥狀態下單軸抗壓強度分別為19.8MPa、88.4MPa，基本頂以細粒及中粒砂巖為主，粉砂巖次之，厚9.86～34.93m，平均22.4m，飽水及干燥狀態下單軸抗壓強度分別28.1MPa、51.4MPa。

工作面采用綜采放頂煤開采工藝，割煤高度4.8m，放煤高度6.59m，設計支架最大支護高度5.0m，選用ZFY17000/27/50D兩柱掩護式綜放支架，支架支護強度1.42～1.47MPa。工作面傾向長度265m，推進長度1756m。

2 “鉆-切-壓”定向水力壓裂技術

2.1 技術原理

“鉆-切-壓”定向水力壓裂技術是水力壓裂技術的再優化。該技術融合了高壓水射流自動成縫和高壓水力壓裂的優勢，形成了鉆孔、成縫一體化，目標區域封隔壓裂。

該技術是在鉆孔施工完畢后，在不退鉆桿的情況下利用高壓水對完整頂煤區域人為制造楔形槽進行定向壓裂，在高壓水作用下，楔形槽尖端處產生急劇的應力集中，當楔形槽尖端集中應力超過煤體的致裂強度時，煤體將首先在楔形槽尖端致裂，并在水壓的繼續作用下沿此裂縫擴展延伸，最終與相鄰壓裂孔裂隙貫通，從而在完整頂煤區域形成弱面，減小分層的厚度，降低煤層的強度和完整性，最終實現頂煤的順利回收。

2.2 施工工藝流程

定向高壓水力致裂工藝流程包括：鉆孔—高壓水切割成縫—封隔壓裂。

1)鉆孔：在回采巷道或工作面內利用特制高壓密封鉆桿在目標區域煤層斜向或垂直進行開孔(視頂煤及頂板垮落情況)，鉆孔直徑為50～75mm。

2)高壓水切割成縫：鉆孔完畢后，在不退出鉆桿的情況下，將鉆桿切換至高壓射流狀態，調整高壓泵壓力至30～50MPa，隨著鉆桿的退出，在目標煤層區域利用射流器進行高壓水切割成縫，切縫時間5～10min，形成初始裂縫。

3)封隔壓裂：割縫完畢后，退出鉆桿，將封隔器緩慢送入鉆孔內的割縫位置，封閉裂縫兩端，打開止水閥，進行封隔壓裂。壓裂時間10～20min，根據水壓的變化情況適當控制壓裂時間。

3 “鉆-切-壓”定向水力壓裂頂煤弱化方案

水力壓裂試驗段在工作面回風巷，總長度為100m，對應工作面推進距離為1481～1581m，共布置10組鉆孔，每組鉆孔間距為10m。

3.1 頂煤壓裂孔

頂煤壓裂孔共計3個鉆孔，分別為A1、A2、A3鉆孔。如圖1所示。鉆孔參數：A1鉆孔方位角為30°，仰角為10°，鉆孔開孔位置距離巷道底板高度1.8m，A1鉆孔深度為45m，孔徑?60mm，鉆孔終孔位置在煤層與頂板交界位置。傾向方向(垂直巷幫方向)的最遠影響距離為44.3m，影響支架范圍為128#—107#支架；A2鉆孔方位角為90°，仰角為20°，距離A1鉆孔1.0m，鉆孔開孔位置距離巷道底板高度2.2m，A2鉆孔深度為27m，孔徑?60mm，鉆孔終孔位置在煤層與頂板交界位置。A2孔沿工作面傾向方向(垂直巷幫方向)的最遠影響距離為25.4m，影響支架范圍128#—116#支架。A3鉆孔方位角為20°，仰角為20°，距離A1鉆孔5.0m，鉆孔開孔位置距離巷道底板高度2.8m，A3鉆孔深度為31m，孔徑?60mm，鉆孔終孔位置在煤層與頂板交界位置。A2孔沿工作面傾向方向(垂直巷幫方向)的最遠影響距離為25.4m，影響支架范圍128#—116#支架。

圖1 施工方案(m)

壓裂參數：A1孔和A2孔的孔口封孔段長度分別為14m和3.65m，每隔7.5m首先采用射流器割縫，再每隔3.0m和4.5m用高壓水實施壓裂；A3孔封孔段長度為7.65m，每隔3.0m和4.5m壓裂一次。

3.2 頂板壓裂孔B

鉆孔參數：鉆孔方位角為30°，沿巷道走向方向；仰角為30°，朝向采空區方向。鉆孔深度為30m，孔徑?60mm，垂直方向壓裂頂板高度為14.6m。壓裂參數：孔口封孔段長度為6.65m，每隔3.0m和4.5m壓裂一次。

4 頂煤弱化效果監測

4.1 頂煤體裂隙發育鉆孔窺視

為監測水力壓裂效果，采用鉆孔全景窺視儀對鉆孔壓裂前、后孔壁煤巖體裂隙分布情況進行觀測，通過對比分析得出水力壓裂前、后煤巖體裂隙發育及分布擴展情況，如圖2、圖3所示。

圖2 割縫壓裂前、后頂煤裂隙狀態

圖3 壓裂、前后裂隙發育素描

對壓裂前、后的裂隙發育情況進行統計可知，壓裂前，鉆孔揭露頂煤的完整段比例為67.3%，裂隙發育段所占比例相對較低；壓裂后，鉆孔揭露頂煤的微小裂隙和明顯裂隙發育所占比例合計增加了23.5%。由此可見，水力壓裂對于頂煤體裂縫擴展有明顯作用。

4.2 頂煤裂隙發育狀態的電磁波CT探測

當采用水力壓裂弱化煤巖體時，由于煤巖地質體內部構造復雜，水壓裂縫擴展形態及過程存在不確定性。為掌握壓裂鉆孔之間區域內的壓裂效果，采用電磁波CT探測技術對壓裂前后的煤體進行井下實地探測，對比分析壓裂前、后電磁波在煤體中的衰減特性規律，判斷水壓裂縫的擴展區域分布，評價水力壓裂效果。壓裂前、后CT探測結果如圖4所示。

分析致裂前、后CT掃描成像圖可知，水力壓裂后，鉆孔內10～40m鉆孔區域，電磁波視吸收系數由3dB/m以下增加至5～10dB/m。壓裂區域煤體的電磁波視吸收系數明顯增大，說明水壓裂縫與煤巖體原生裂隙溝通，促使裂隙進一步發育擴展，表現為煤體內裂隙發育范圍明顯增大，原有裂隙寬度增大。鉆孔8～26m窺視區域內裂隙擴展明顯，電磁波視吸收系數明顯增加至5～10dB/m，表明電磁波CT掃描結果與煤體裂隙窺視效果吻合。

根據電磁波CT掃描裂縫狀態，得到水力裂縫擴展的素描結果，如圖5所示。分析可知，水力壓裂后裂縫擴展至兩鉆孔間75%的區域，擴展裂縫效果明顯。

圖5 CT探測裂隙分布區域素描

4.3 放煤產量及回收率統計

為驗證頂煤弱化的實際放煤效果，對水壓致裂后機頭及機尾兩端各20個支架區域頂煤的放煤量進行了對比分析，統計分析發現，在水壓致裂弱化區域機尾段，平均日放煤量3433t，未進行水壓致裂的機頭段，平均日放煤量3243t，水壓致裂區域頂煤的日放煤量增加190t，提高了5.5個百分點。

同時，對工作面頂煤放出量和頂煤回收率情況進行了實測統計。并與水壓致裂前的爆破弱化進行了對比分析，見表1。

表1 水力壓裂前后不同時期頂煤回收率統計

分析表1可知，“鉆-切-壓”定向水力壓裂頂煤弱化后，工作面頂煤回收率達到72.49%，較水壓致裂前的爆破弱化提高了6.33個百分點。

5 結 論

1)“鉆-切-壓”定向水力壓裂技術融合了高壓水射流自動成縫和高壓水力壓裂的優勢，形成了鉆孔、成縫一體化，目標區域封隔壓裂，避免了鉆孔退桿后二次刀具割縫的復雜工藝。

2)“鉆-切-壓”定向水力壓裂對頂煤裂隙的擴張及破裂效果顯著，壓裂后，鉆孔內揭露頂煤的微小裂隙和明顯裂隙發育所占比例增加了23.5%，裂縫擴展貫通范圍達到10m以上。

3)“鉆-切-壓”定向水力壓裂頂煤弱化技術有效的提高了頂煤的回收率，致裂區域頂煤回收率得到明顯改善，水壓致裂段頂煤的日放煤量由3243t增至3433t，增加190t，提高5.5%；工作面頂煤回收率由66.16%增加至72.49%，較水壓致裂前提高了6.33%。