成莊礦15號煤層堅硬難垮頂板定向水力壓裂技術研究

李浩男

（晉能控股煤業集團成莊礦，山西 晉城 048000）

0 引言

堅硬頂板在采空區后方未能及時垮落形成大面積懸頂是影響礦井安全生產的不穩定因素。堅硬難垮頂板主要是指抗壓強度高、巖層致密、完整性強、揭露后不易垮落的巖層。頂板懸頂造成的危害主要存在2個方面：一是頂板瞬間大面積垮落形成颶風，沖擊井下工作面，造成采面設備損壞、巷道支護體失效；二是堅硬巖層不及時破斷造成巷道超前支撐壓力增大進而導致巷道變形失穩破壞。目前，針對堅硬難垮頂板主要處理手段是施工密集鉆孔和滯后淺孔預裂爆破，存在施工效率低下，弱化頂板深度較淺，上覆巖層應力未能得到有效釋放等諸多問題。基于此，定向水力壓裂技術成為解決堅硬頂板懸頂問題時的首選方案[1-4]。

1 工程概況

成莊礦X V1307工作面為15號煤首采面，埋深約為320 m，上方為3號煤采空區。15號煤層穩定，煤厚1.29～5.63 m，平均3.68 m。煤層含夾矸0～7層，一般1～4層，夾矸厚0.10～0.30 m，結構復雜。15號煤位于太原組一段上部，上距K2石灰巖0～2.50 m，平均0.68 m，下距K1砂巖0～25.80 m，平均12.34 m。K2石灰巖平均厚度9.9 m，單軸抗壓強度平均值為110 MPa，強度較高，屬于典型的厚煤層堅硬難垮落頂板，15號煤頂底板情況如圖1所示。就鄰近礦井開采15號煤經驗來看，工作面初次垮落步距在40 m左右，周期來壓步距在28 m左右，工作面來壓明顯，巷道維護困難，提前進行頂板預裂處理是解決問題的關鍵。

圖1 15號煤頂底板柱狀圖

2 定向水力壓裂方案

2.1 水力壓裂工藝

定向水力壓裂技術主要是通過向頂板預先施工的鉆孔分段注入高壓水削減頂板完整性，促使堅硬頂板分層垮落，達到縮減來壓步距、減緩超前支撐壓力影響、消除頂板大面積冒落引發惡性事故的目的。水力壓裂系統主要包含高壓水泵、儲能器、手動泵、封孔器、管路、各類壓力儀器組成。水力壓裂技術主要包括鉆孔、割縫、封孔、壓裂4項主要工序。首先，按照施工方案利用普通鉆頭在巷道頂板堅硬巖層中鉆孔，鉆至預先設計終孔位置停止；將普通鉆頭更換為可預制橫向切槽的特殊鉆頭，在水力壓裂段預制橫向切槽；將跨式膨脹型封孔器推進至壓裂段，通過手動泵加壓促使封孔器膨脹，達到封孔的目的；最終，連接高壓水泵向壓裂段壓入高壓水，保壓20 min以上，重復上述工序即可[5-7]。水力壓裂控制堅硬頂板巖層示意圖如圖2所示。

圖2 水力壓裂控制堅硬頂板巖層示意圖

2.2 壓裂鉆孔布置參數

與傳統油氣行業不同，井下定向水力壓裂技術施工地點限制條件較多，作業空間狹小，因而其施工工藝有其獨特之處。根據X V1307工作面柱狀圖、地應力大小及方向、頂板巖性情況，擬選擇工作面水力壓裂方案如下：工作面順槽鉆孔布置為單側布置，如圖3所示，開孔位置距頂板200～300 mm，鉆孔長度為50 m，孔間距為10 m，鉆孔與煤層走向方向的夾角為30°，鉆孔水平投影與巷道夾角為70°。

圖3 X V1307工作面順槽鉆孔布置

2.3 應用效果考察

為了對水力壓裂作用效果有更加直觀的認識，優先選擇鉆孔窺視的方法對頂板壓裂效果進行分析。利用已壓裂鉆孔進行窺視作業，根據現場實測結果表明，壓裂后鉆孔內裂隙發育，裂隙擴展性良好，正常情況下能保證巖層的穩定下，隨著工作面回采煤層上覆堅硬巖層可實現分層垮落，保證安全回采。

3 安全技術措施

1）嚴格按照設計方案施工，確保壓裂鉆孔施工質量。鉆孔施工完成后軸線應近似為直線，通過控制鉆進速度，減小鉆機進給力實現；嚴格控制鉆探施工軌跡，確保壓裂施工改造層位的準確性。

2）通過多種舉措保證封孔質量，保證后續壓裂工作的正常進行。采用倒退式壓裂法，即從鉆孔底部向孔口逐次壓裂；封孔器分隔段必須為巖層完整段；距孔口位置10 m左右不進行壓裂作業。

3）壓裂作業為隱蔽工程，嚴格落實現場監督考核制度。單孔壓裂次數以6～12次為宜，壓裂段長度不宜過長，以3～5 m為宜；壓裂過程中，保證20～30 min的保壓時間，確保頂板壓裂、軟化充分，同時，應安排專人對鉆孔周圍頂板進行巡檢，當出現臨近鉆孔出水時，停止作業。

4）壓裂作業開始前，應在施工區域設置警示牌，禁止非作業人員進入，防止沖孔傷人；安排專人對高壓管路進行檢查，確保管路連接處安全可靠。

4 結論

針對成莊礦X V1307工作面存在堅硬頂板不易垮落的難題，提出深孔定向水力壓裂技術。

經現場實踐表明，水力壓裂可有效破壞深層堅硬頂板完整性并促使其分層垮落，消除工作面沖擊來壓的風險，降低超前支撐壓力影響，具有良好的經濟社會效益。