堅硬頂板超前區域治理技術在神東布爾臺煤礦的應用

楊俊哲 ，王振榮 ，呂情緒 ，楊 森 ，李 果 ，鄭凱歌

(1.國家能源集團神東煤炭集團公司，陜西 榆林 719315；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

堅硬頂板是指上覆于煤層或煤層直接頂上方、厚度較大、節理發育差、巖石強度大的巖層，由于這類頂板在工作面回采之后不容易自然垮落，會形成采空區大面積懸頂，造成工作面超前應力集中，引起片幫、壓架、底鼓等問題[1-5]。隨著工作面的開采，懸頂面積達到一定程度時，堅硬頂板的受力超出強度極限后會發生大面積垮落，積聚在頂板內的能量快速釋放，增大了來壓強度，使工作面和兩巷道的支護結構大面積破壞，易引發沖擊地壓、采空區颶風等重大礦井動力災害，造成設備的嚴重受損和人員的重大傷亡，嚴重制約煤礦的安全高效生產[6-10]。

針對堅硬頂板礦壓顯現機理的研究，相應的治理方法發展迅速，主要是通過頂板弱化技術縮短堅硬頂板來壓步距，降低工作面礦壓顯現強度，目前比較常用的有爆破弱化和水力壓裂弱化等技術和工藝。爆破弱化技術是使用炸藥爆破的方法將煤層上方堅硬頂板炸裂，以此來破壞堅硬頂板巖體的整體性，從而使堅硬頂板能及時垮落的技術[11-14]。水力壓裂技術是使用高壓泵組將高壓流體以大排量注入到提前布置的鉆孔內并產生高壓，當流體壓力大于巖石破裂壓力后，鉆孔周圍巖石即發生破裂，產生人工裂縫，以此來達到弱化巖體的目的。

相對于爆破弱化頂板的方法，水力壓裂治理堅硬頂板存在無需炸藥、無有害氣體等優勢，國內外學者對其進行了深入研究。閆少宏等[15]通過實驗驗證了人工切槽后高壓注水可以使得巖石破裂，使堅硬基本頂分層，降低頂板來壓強度。鄧廣哲等[16]采用地應力場控制下水壓致裂的方法，研究了水壓裂縫擴展行為的控制參數，建立了起始滲透壓力和最大破壞壓力與煤樣裂縫擴展變化過程的對應關系。黃炳香等[17]認為，煤巖體水力壓裂是通過主裂縫擴展、翼型分支裂縫擴展和吸水濕潤3 種作用來達到煤巖體結構改造、強度弱化等工程目的。馮彥軍等[18]進行定向水力壓裂控制煤礦堅硬難垮頂板井下試驗。通過在壓裂孔兩側布置監測孔和在壓裂過程中實時監測泵壓變化，深入分析煤礦堅硬難垮頂板水力壓裂特點。

其中，定向長鉆孔分段水力壓裂技術是近年來發展的熱點[19]，依靠定向鉆井技術在頂板內鉆進至工作面上部幾百米深處，通過分段壓裂，在頂板大范圍內造出裂縫網絡，破壞頂板的完整性[18]。同時，巖石中形成裂縫網絡后，由于水力壓裂的持續性，裂縫還會進一步生成次生裂縫，進而增加了裂縫系統的復雜程度，更多的壓裂液進入到頂板內部進一步弱化了頂板的強度，減少大面積懸頂的出現，保證了工作面的安全回采[20-22]，目前，定向長鉆孔分段水力壓裂技術在山西寺家莊[23]，陜西黃陵[24]、韓城[25-26]等煤礦取得了較好的壓裂效果。楊俊哲等[27-30]采用理論分析、裝備研發、技術開發、工程實踐等方法，系統研究了厚煤層綜放開采、堅硬頂板發育、上覆遺留煤柱、淺埋特厚硬煤層過溝谷開采的覆巖運動特征、動靜疊加載荷作用下動力災害發生原理，提出了堅硬頂板多點拖動式分段水力壓裂防治方法，并在神東上灣[28]、石圪臺[29]、布爾臺[30-31]煤礦等典型工作面開展了工程應用，取得了較好的效果，驗證了頂板分段水力壓裂弱化技術的有效性。

可以看到，目前定向長鉆孔分段水力壓裂技術已經作為一項經濟有效的煤礦堅硬頂板控制治理技術，并且已經得到了廣泛的推廣應用。但是，在壓裂工藝、裂縫尺度設計等方面的研究較少，鮮有可以借鑒使用的研究成果。

基于以上背景，本文以神東煤礦區布爾臺煤礦為例，通過理論計算、壓裂裂縫監測、壓裂效果評價等手段，闡述了定向長鉆孔分段水力壓裂治理堅硬頂板的設計原則、計算方法和工程布置，分析評價定向長鉆孔水力壓裂技術在布爾臺煤礦治理堅硬頂板中的治理效果，以期為類似地質條件下工程實踐應用提供技術參考。

1 定向長鉆孔分段壓裂工藝

定向長鉆孔分段水力壓裂工藝是在煤層中開孔后斜向上鉆至頂板目標層位，而后水平鉆進至目標位置，壓裂工藝采用雙封單卡多點拖動式頂板分段水力壓裂技術，其工作原理為壓裂工具串送入鉆孔設計位置后，開啟壓裂泵組，在壓裂工具串內注入壓裂液，當壓裂液壓力達到3 MPa 時封隔器即可實現完全坐封，當壓力達到5 MPa 時，限流器即打開，開始壓裂施工(圖1a)。當完成第一段壓裂施工后，關閉高壓泵組，孔口進行排水卸壓，封隔器自動回彈至原有尺寸。利用定向鉆機拖動孔口高壓管柱，將封隔器拖動至下一壓裂段位，繼續進行下一段壓裂施工，依次完成所有壓裂段的壓裂施工(圖1b)。該工藝相鄰壓裂段之間會形成三維立體裂縫網絡，從而實現煤層堅硬頂板的有效弱化。

圖1 多點拖動分段壓裂Fig.1 Multi-stage fracturing operation

2 堅硬頂板強礦壓區域治理

2.1 研究區概況

神東礦區布爾臺煤礦煤層埋深370～475 m，其中4?2煤為主采煤層，4?2煤42108 工作面寬度310 m，直接頂為灰色砂質泥巖，含少量煤屑，厚度3～19 m，平均12 m(表1)。基本頂為灰白色厚層細粒砂巖，以石英長石為主，含炭屑及暗色巖屑，泥質膠結，厚度7～38 m，平均22 m，具有強度高、厚度大、整體性強、自承能力強等特點。相鄰工作面回采過程中，工作面一次見方(回采距離為工作面寬度)、二次見方(回采距離為工作面寬度的2 倍)位置、埋深大于400 m 區域和上覆煤層遺留保護煤柱處，基本頂整體懸頂區域較大，無法及時發生垮落，造成煤層頂板掉渣、下沉現象頻發，煤幫鼓和底鼓較大，超前支架拉架困難。所以對42108 工作面頂板必須采取必要的措施進行治理，從而保證工作面的安全回采。

表1 布爾臺煤礦4?2 煤層頂底板特征Table 1 Rock character of coal roofs at Buertai Coal Mine

2.2 水力壓裂鉆孔布置及裂縫尺寸設計

利用關鍵層判識理論，識別治理區域關鍵層位置。針對中、低位關鍵層，通過超前弱化，促使頂板巖層在采動效應下發生垮落后充滿采空區，對上覆巖層形成有效支撐，減弱或消除上覆動載荷效應。所以42108工作面的壓裂目標層位確定為4?2煤層頂板細粒砂巖中部，即煤層上方30 m 處。

為了使壓裂改造區域盡可能覆蓋整個工作面，布孔方式選擇為沿工作面走向布置定向鉆孔。開孔位置在工作面兩巷道，向上斜鉆至基本頂，而后與工作面平行水平鉆進至指定位置，鉆孔長度依據定向鉆機性能及鉆場布置情況確定。同一位置鉆孔布置數量由水力壓裂裂縫長度決定，42108 工作面寬310 m，為了避免裂縫擴展受到錨桿錨索影響，裂縫尖端離兩巷道保持30 m 安全距離，而后在剩余的250 m 范圍內均勻布置鉆孔。若布置2 個鉆孔覆蓋整個工作面，每孔水力壓裂裂縫半長需達到62.5 m。若布置3 個鉆孔覆蓋42108 工作面，每孔水力壓裂裂縫半長需達到41.6 m。

3 定向長鉆孔分段壓裂

3.1 參數設計

基于42108 工作面堅硬頂板巖石力學特性(表2)，選用Arash Nasirisavadkouhi[31]擬三維裂縫模型計算裂縫半長。該模型假設：壓裂裂縫最大縫高恒定，縫端部閉合圓滑，最小地應力在垂向上分布均勻，裂縫是以橢圓形狀延伸擴展(圖2)。

表2 布爾臺煤礦42108 工作面水力壓裂基礎參數Table 2 Basic parameters of hydraulic fracturing at Buertai 42108 working face

圖2 擬三維模型裂縫形態Fig.2 Schematic diagram of pseudo three-dimensional model cracks

裂縫半長、裂縫密度及孔底靜壓力計算方法如下：

式中：R為裂縫半長，m；G為剪切模量，GPa；Q為壓裂泵排量，m3/min；W0為裂縫寬度，m；pw為孔底靜壓力，MPa；μ為壓裂液黏度，10?3mPa·s；t為時間，min；ν為泊松比，無因次；σmin為最小地應力，MPa；rw為壓裂鉆孔半徑，m。

使用擬三維模型計算布爾臺煤礦42108 工作面堅硬頂板水力壓裂過程中裂縫的擴展動態，如圖3 所示，可以發現，裂縫形成初期單位時間內裂縫擴展的距離較大，隨著壓裂持續，裂縫擴展逐步變慢，單位時間內裂縫擴展距離變小；隨著壓裂時間增加，裂縫半長不斷增大，但增長速度隨壓裂時間呈逐漸降低的趨勢；隨著高壓泵注入流速的增大，裂縫半長不斷增加，且增長速度隨注入流速的增大逐步降低。根據這2 種變化趨勢，施工方案中壓裂時間和注入流速的確定并不是越大越好，本文結合實際的設備能力和施工實際，注入流速最大選取1 m3/min，壓裂時間控制在60 min 以內。

圖3 壓裂時間和注入流速對裂縫半長的影響Fig.3 Influence of injection time and injection rate on crack length

3.2 分段壓裂施工

基于區域整體治理思想對布爾臺煤礦42108 工作面堅硬頂板進行水力壓裂弱化治理，依據擬三維模型計算結果，在現有裝備條件下裂縫半長小于60 m(圖3)，所以同一鉆場需沿走向布置3 個鉆孔才能保證治理區域對整個工作面的全覆蓋。

根據布孔原則對42108 工作面一次見方位置、二次見方位置、初采和煤層埋深大于400 m 區域等易發生強礦壓顯現的區域制定鉆孔布置方案：共布置鉆場8 個，每個鉆場平行布置3 個鉆孔，單孔長度330～705 m，單孔設計壓裂5～15 段(圖4)，壓裂層位為煤層上方基本頂細粒砂巖。

圖4 布爾臺42108 工作面壓裂鉆孔平面分布Fig.4 Plane distribution of fracturing boreholes in Buertai 42108 working face

基于擬三維裂縫模型計算結果，應用相關參數指導水力壓裂施工，現場使用壓裂泵組排量為0.8 m3/min，為保證水力壓裂裂縫長度大于41.6 m，每段水力壓裂施工高壓泵組運行時間不少于30 min(圖3)。

為了驗證水力壓裂施工效果，對布爾臺煤礦42108工作面中的其中1 個鉆孔進行孔內瞬變電磁測試。瞬變電磁法探測具有低阻敏感的特性，在煤礦井下含水、導水地質異常探測有廣泛應用[32]。在該孔壓裂前后各進行1 次孔內瞬變電磁測試(圖5)，對比壓裂前后2 次瞬變電磁測試結果可以看出：在深度為190、215、240～285、305 m 處有明顯低阻異常，異常強度較強，呈明顯條帶狀，這些區域與壓裂段位高度重合，綜合考慮認為，這些低阻異常區域為人工裂縫擴展區域，從圖5c 中可以看出該孔實際裂縫半長大于35 m，使用目前的壓裂方案，基本可實現工作面治理治理全覆蓋。

圖5 壓裂前后孔內瞬變電磁探測成果Fig.5 Results of transient electromagnetic detection in the borehole before and after fracturing

在現場分段壓裂施工過程中，多次觀察到鄰孔有水流出(圖6)，判定人造裂縫和鄰孔實現了溝通。可以確定壓裂裂縫的擴展范圍達到了39 m 以上，滿足水力壓裂施工的設計要求。

圖6 壓裂過程鄰近鉆孔出水情況Fig.6 Water flow near the borehole during fracturing

3.3 效果分析

將水力壓裂治理的42108 工作面與未治理的42107 工作面的礦壓顯現情況進行對比，分析水力壓裂對礦壓的治理效果。其中，42107 工作面整體來壓強度較大，持續時間較長，頂板周期來壓步距較大，造成頂板掉渣、下沉現象頻發，煤幫鼓和底鼓較大，導致超前支架移架困難。而42108 工作面經過定向長鉆孔水力壓裂治理，工作面正常支架循環末阻力為25.4～33 MPa，平均28.77 MPa，同比下降3.33%。周期來壓期間，支架循環末阻力為32.6～41.7 MPa，平均39.640 MPa，同比下降6.81%。動載系數為1.22～1.48，平均1.31，降低了10.88%(表3)。

表3 布爾臺礦2 個工作面支架循環末阻力對比Table 3 Comparison of support end-of-circulation resistance of 42107 and 42108 working faces in Buertai Coal Mine

42107 和42108 工作面區域支架阻力分布如圖7所示，從圖中可以看出，42108 工作面在實施堅硬頂板分段水力壓裂弱化后，實現了應力場均勻分布，有效降低了周期來壓強度，減少了強礦壓顯現，保證了工作面的回采安全。

圖7 布爾臺煤礦水力壓裂與未壓裂工作面支架阻力對比Fig.7 Comparison of support resistance distribution of 42107 and 42108 working faces in Buertai Coal Mine

4 結論

a.基于煤礦井下定向長鉆孔弱化堅硬頂板技術，根據區域治理裂縫展布需要，利用Arash Nasirisavadkouhi 擬三維裂縫模型確定水力壓裂施工參數，結果顯示，神東布爾臺礦4?2煤42108 工作面實際壓裂生成裂縫與設計裂縫的尺寸基本吻合，表明該模型可以指導煤礦井下的水力壓裂施工，為井下水力壓裂提供理論支撐。

b.布爾臺煤礦42108 工作面壓裂施工時，使用0.8 m3/min 的大排量高壓壓裂泵，每個壓裂段壓裂時間不少于30 min，可在工作而基本頂形成裂縫半長大于41.6 m 的裂縫網絡。

c.使用定向長鉆孔分段水力壓裂對42108 工作面堅硬頂板進行區域化治理后，礦壓監測結果顯示，工作面正常支架循環末阻力同比下降3.33%；周期來壓期間，支架循環末阻力同比下降6.81%；動載系數平均降低了10.88%；水力壓裂措施有效減弱了42108 工作面的強礦壓顯現，實現了整個工作面頂板的區域弱化。