定向長鉆孔分段水力壓裂技術在布爾臺煤礦的應用

李建軍，劉文崗，杜君武，任健剛

（1.神華神東安全監(jiān)察局，內蒙古 鄂爾多斯 017200；2.煤炭科學研究總院，北京 100013；3.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054）

煤礦井下水壓致裂技術主要應用于瓦斯增透[1-3]、切頂卸壓[4-6]、初采放頂[7-9]、沖擊礦壓防治[10-11]等方面，取得顯著成效。關于水壓致裂機理及裂縫擴展規(guī)律方面，文獻［12－14］通過研究水力壓裂時水流在巖體中的擴展情況，揭示了裂縫擴展特性和巖體破壞機理。隨著定向鉆進技術的不斷成熟和廣泛應用，部分礦區(qū)將水壓致裂與定向鉆進技術相結合，提出了定向長鉆孔分段水力壓裂技術，進一步發(fā)展和提升了水壓致裂技術在煤礦井下瓦斯增透、堅硬頂板弱化等方面的實施效果[15-16]。與常規(guī)淺孔水壓致裂技術相比，定向長鉆孔水壓致裂技術能夠對目標層位進行精準壓裂，適用于弱化工作面中部巖層、集中煤柱下方頂板及層狀厚堅硬巖層[17]。文獻［18］通過頂板走向長鉆孔分段水力壓裂技術使平均單孔瓦斯抽采純量提高了2 倍以上，大幅度提高了煤層瓦斯抽采效果；文獻［19］為解決煤層群下行開采時上覆煤柱給下伏煤層帶來的頂板管理安全隱患，提出采用定向長鉆孔分段水力壓裂超前弱化技術對工作面頂板進行卸壓弱化，鉆孔壓裂突破點明顯，工作面來壓步距明顯減小；文獻［20］采用定向長鉆孔分段水力壓裂技術處理煤層巨厚頂板，有效降低了工作面礦震發(fā)生次數(shù)和等級。近年來，水力壓裂技術在神東礦區(qū)大部分煤礦取得許多成功應用經(jīng)驗，但基于考慮采動覆巖結構的定向長鉆孔分段水壓致裂技術相對較少。

布爾臺煤礦42 煤開采過程中，受42 煤層上覆堅硬厚細粒砂巖影響，工作面在一次見方、二次見方和上覆22 煤層遺留煤柱處，頂板懸頂面積較大，無法及時垮落，造成42 煤頂板掉渣、下沉現(xiàn)象頻發(fā)，煤幫鼓和底鼓較大，超前支架壓架等問題，嚴重制約礦井安全高效生產(chǎn)。為此，以神東布爾臺煤礦42202 工作面地質條件和開采技術為背景，開展了考慮工作面覆巖“見方”結構的定向長鉆孔分段水力壓裂技術方案的研究，對比了壓裂前、后工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、圍巖及錨桿（索）應力變化、工作面及兩煤巷變形等多項指標，深入分析定向長鉆孔分段水力壓裂的卸壓效果，為類似條件下的巖層控制提供經(jīng)驗和依據(jù)。

1 工作面概況

布爾臺煤礦42202 綜放工作面，布置在42 煤二盤區(qū)大巷東南，為42 煤二盤區(qū)第二個回采工作面，工作面推進長度4 485.24 m，傾向長度320 m，煤層厚度5.38～7.18 m，平均厚度6.12 m，煤層傾角1°～3°。煤層變異指數(shù)為10%，變異指數(shù)≤25%，為穩(wěn)定煤層。煤層埋深330～400 m，平均埋深363 m，上覆松散層厚度0～55 m。工作面高度3.7 m，放頂煤高度2.42 m，采放比1∶0.65，采用走向長壁后退式綜合機械化放頂煤采煤方法開采，全部垮落法管理頂板。42202 綜放工作面位于呼和烏素溝東北部，地表屬高原侵蝕性丘陵地貌，大部分地區(qū)為低矮山丘，多被風積沙覆蓋，第四系廣泛分布。42202 煤層直接頂為砂質泥巖，平均厚度5.92 m。基本頂為細粒砂巖，平均厚度22.36 m。直接底為砂質泥巖。平均厚度4.20 m，工作面頂?shù)装逄卣饕姳?。

表1 42202 工作面頂?shù)装逄卣鱐able 1 Characteristics of roof and floor of 42202 working face

2 定向長鉆孔分段水力壓裂技術及方案

2.1 定向長鉆孔分段水力壓裂技術

1）水力壓裂工作面覆巖結構特征。定向長鉆孔水力壓裂技術主要是通過對煤層巨厚頂板實施定向長鉆孔分段水力壓裂，使巨厚頂板逐層垮落，形成連續(xù)有效支撐，避免頂板能量的突然釋放，有效降低巷道圍巖內部應力。采用定向長鉆孔水力壓裂，可使基本頂充分弱化，強度和整體性大幅降低。隨著工作面推進，基本頂能夠及時垮落，避免產(chǎn)生較長懸頂。堅硬頂板未進行水力壓裂，下位基本頂懸露面積過大，上覆巖層載荷集中作用在支架及前方煤壁上，導致超前支承壓力集中系數(shù)過大，容易造成強礦壓現(xiàn)象發(fā)生。采用水力壓裂后，下位基本頂有序回轉變形，形成了穩(wěn)定的砌體梁結構，上覆巖層載荷由后方采空區(qū)壓裂垮落矸石-液壓支架-前方煤壁共同承擔，工作面超前支承壓力集中系數(shù)減小，支架動載系數(shù)減小，有效解決了巷道圍巖變形和強動載礦壓問題。水壓致裂前后工作面覆巖結構及超前支承壓力分布特征如圖1。

圖1 壓裂前后工作面覆巖結構及超前支承壓力分布特征Fig.1 Overburden structure and front abutment pressure distribution characteristics of working face before and after fracturing

2）定向長鉆孔覆巖水力壓裂層位確定。定向長鉆孔水力壓裂的層位一般選擇在工作面中部上方基本頂，如果工作面上方存在遺留煤柱，則定向長鉆孔水力壓裂孔的確定還要考慮遺留煤柱集中應力影響區(qū)。采用定向長鉆孔水力壓裂后，應確保工作面覆巖垮落充滿采空區(qū)，根據(jù)覆巖碎脹性確定水力壓裂垂直高度，使覆巖基本頂有序垮落形成穩(wěn)定的砌體梁結構，上覆巖層載荷由“采空區(qū)垮落矸石-液壓支架-工作面煤壁”支撐系統(tǒng)共同承擔，這樣方可避免工作面強礦壓顯現(xiàn)。

3）定向長鉆孔分段水力壓裂工藝。采用中煤科工集團西安煤科院的雙封單卡多點拖動分段水力壓裂技術工藝[21]，定向長鉆孔分段水力壓裂技術工藝如圖2。該工藝先進行第1 段水力壓裂，然后進行第2 段水力壓裂，依次完成設計施工段的壓裂工程，相鄰壓裂段形成三維立體連續(xù)巖層裂縫，實現(xiàn)煤層堅硬頂板的有效弱化。

圖2 定向長鉆孔分段水力壓裂技術工藝Fig.2 Segmented hydraulic fracturing technology of directional long borehole

2.2 定向長鉆孔分段水力壓裂設計方案

42202 工作面定向長鉆孔分段水力壓裂鉆孔布置如圖3。

圖3 定向長鉆孔分段水力壓裂鉆孔布置圖Fig.3 Borehole layout of directional long borehole and segmented hydraulic fracturing

根據(jù)實踐經(jīng)驗，工作面在一次見方、二次見方和上覆煤層遺留煤柱等位置易發(fā)生強礦壓顯現(xiàn)。因此，在42202 工作面開采過程中，布置3 個鉆場，共9 個鉆孔。其中，鉆場1 水力壓裂范圍位于42202 工作面第1 次見方和第2 次見方之間，鉆場2 水力壓裂范圍位于42202 工作面第2 次見方和第3 次見方之間。鉆場3 水力壓裂位于上部煤層工作面停采線遺留煤柱影響范圍。鉆場1 距切眼550 m，位于42202工作面運輸巷30 聯(lián)巷；鉆場2 距開切眼810 m，位于42202 工作面運輸巷29 聯(lián)巷；鉆場3 距工作面開切1 950 m，位于42202 工作面運輸巷22 聯(lián)巷。

各鉆場布置3 個鉆孔，共計鉆孔9 個。其中鉆場1 的鉆孔為1-1、1-2 和1-3；鉆場2 的鉆孔為2-1、2-2 和2-3；鉆場3 的鉆孔為3-1、3-2 和3-3。每個鉆孔的長度為300～530 m。1-1、2-1、3-1 鉆孔位于22202 工作面遺留煤柱正下方，距離42202 工作面運輸巷水平距離均為90 m。1-3、2-3、3-3 鉆孔距離42202 工作面回風巷水平距離均為70 m。每個鉆場內相鄰鉆孔間距80 m。

42202 工作面定向長鉆孔分段水力壓裂設計孔徑96 mm，孔口一開96 mm 鉆進至直接頂，二開擴孔153 mm，下127 mm 套管跨過巖層10 m。套管候凝結束后，按照設計軌跡一開96 mm 鉆進至終孔，鉆孔壓裂目標層位為42202 工作面煤層的基本頂。

鉆場1 和鉆場2 之間為相鄰鉆孔，設計原則為：當相鄰位置單個鉆孔進行壓裂時，兩鉆孔間距為30 m；當兩鉆孔均需進行壓裂時，鉆孔間距為60 m。每個鉆孔壓裂7 段，累計壓裂63 段，42202 工作面鉆孔施工設計參數(shù)見表2。

表2 42202 工作面鉆孔施工設計參數(shù)Table 2 Design parameters for drilling construction of 42202 working face

3 定向長鉆孔分段水力壓裂實施情況

根據(jù)42202 工作面堅硬頂板定向長鉆孔分段水力壓裂設計方案，結合現(xiàn)場實際情況，42202 工作面在進行定向長鉆孔分段水力壓裂過程中，完成壓裂鉆孔施工9 個，單孔注水300～450 m3，累計注水量超過2 800 m3，鉆孔壓裂影響范圍覆蓋整個工作面，鉆孔孔徑96 mm，鉆孔長330～564 m。累計輸送壓裂工具串3 698.38 m，進行分段壓裂74 段，最高注水壓力33.1 MPa，最低注水壓力8.6 MPa，最大注水壓降12.8 MPa，出現(xiàn)3.0 MPa 以上明顯壓降593 次，表明細粒砂巖中出現(xiàn)明顯的破裂，形成了較為充分的三維裂縫網(wǎng)絡，有效降低了堅硬頂板的整體強度。42202工作面實際定向長鉆孔分段水力壓裂情況見表3。

表3 實際完成壓裂情況Table 3 Actual completion of fracturing

4 定向長鉆孔分段水力壓裂實施效果

為掌握42202 工作面定向長鉆孔分段壓裂技術的卸壓效果，在工作面回采過程中，利用礦壓監(jiān)測系統(tǒng)對工作面及兩煤巷頂板支架壓力進行動態(tài)監(jiān)測。

4.1 鉆孔水力壓裂前后工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

工作面推采至距離切眼72.9 m 時工作面第1次周期來壓，來壓持續(xù)18.6 m。自第1 次周期來壓結束至推進至182 m 進入壓裂段位置前，共發(fā)生周期來壓10 次，來壓強度大，但較初次來壓有所降低，持續(xù)步距增加，工作面來壓強度較大，來壓范圍較廣，多次出現(xiàn)50.0 MPa 以上壓力值。工作面未進壓裂區(qū)及壓裂區(qū)礦壓顯現(xiàn)如圖4 和圖5。

圖4 未壓裂區(qū)工作面礦壓顯現(xiàn)特征云圖Fig.4 Diagram of ground pressure behavior characteristics of working face in unfractured area

圖5 壓裂區(qū)工作面礦壓顯現(xiàn)特征云圖Fig.5 Diagram of ground pressure behavior characteristics of working face in fracturing area

自42202 工作面回采30 聯(lián)巷壓裂段起始位置至該壓裂段結束，工作面共發(fā)生周期來壓9 次，來壓步距14～32 m，平均23 m。工作面正常推進時支架的正常載荷為31.1 MPa 左右，工作面周期來壓期間，支架的載荷為35.0～48.0 MPa，平均值為39.1 MPa，動載系數(shù)平均1.37。工作面煤巷頂板壓力顯現(xiàn)不明顯，沒有出現(xiàn)明顯底鼓等現(xiàn)象。采空區(qū)頂板懸頂在6～7 m 以內，基本上隨采隨垮，呈破碎狀，未造成明顯頂板下沉現(xiàn)象。與初次來壓和未壓裂治理頂板來壓對比，壓裂段位置來壓強度明顯降低，最高壓力由59.1 MPa 降低至48.0 MPa，來壓步距由44～46 m 降低至23 m 左右，超過40 MPa 的來壓范圍明顯減小。

42202 工作推進至距離開切眼921 m 的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律如圖6。

圖6 工作面礦壓顯現(xiàn)云圖Fig.6 Cloud diagram of face ground pressure behavior

1）42201 工作面回采至66 m 時初次來壓，工作面中部68～72 架支架最高壓力達到58.8 MPa，工作面液壓支架平均壓力30.1 MPa，初次來壓步距66 m。

2）42201 工作面初次來壓后，由距離開切眼67 m 推進至182 m 期間（未進入壓裂段），工作面周期來壓最高59.1 MPa，平均34.4 MPa，周期來壓步距一般為44～46 m，周期來壓步距較長。進入壓裂段（182～716 m）后，周期來壓強度最高50.1 MPa，平均31.1 MPa，周期來壓步距一般為19～25 m，周期來壓強度和來壓步距明顯減小。

3）42201 工作面離開壓裂段后（716～960 m），周期來壓最高59.7 MPa，平均35.2 MPa，周期來壓步距20～26 m，周期來壓強度和來壓步距均升高。

根據(jù)礦壓監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，得出的42202 工作面壓裂前后周期來壓數(shù)據(jù)見表4。

表4 工作面壓裂前后礦壓顯現(xiàn)規(guī)律Table 4 Ground pressure behavior before and after fracturing in working face

根據(jù)表4 中數(shù)據(jù)分析可得：42202 工作面在未壓裂區(qū)域回采時，周期來壓步距平均23.4 m，來壓強度平均42.03 MPa，周期來壓時支架動載系數(shù)平均1.43。42202 工作面在壓裂區(qū)域回采時，周期來壓步距平均22.4 m，來壓強度平均39.14 MPa，周期來壓時支架動載系數(shù)平均1.37。

42201 工作面細粒砂巖基本頂采用定向長鉆孔分段水力壓裂后，周期來壓步距平均減小4.3%，平均來壓強度減小6.9%，來壓時支架動載系數(shù)減小4.2%。因此，采用設計的定向長鉆孔分段水力壓裂方案，卸壓效果較好。

4.2 水力壓裂前后工作面及兩煤巷圍巖變形特征

4.2.1 42202 工作面圍巖變形特征

42202 工作面在壓裂區(qū)域和未壓裂區(qū)域回采時煤壁及采空區(qū)垮落情況如圖7。

圖7 壓裂前后工作面煤壁及采空區(qū)現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.7 Site photos of coal wall and goaf of working face before and after fracturing

42202 工作面在182～716 m（壓裂區(qū)域）回采時，支架動載系數(shù)平均1.37，動載系數(shù)整體相對較小，工作面來壓期間，煤壁較完整，基本無片幫現(xiàn)象，片幫深度最大0.5 m，機尾采空區(qū)頂板垮落充分，不存在懸頂現(xiàn)象。

42202 工作面在717～716 m（未壓裂區(qū)域）回采時，支架動載系數(shù)平均1.43，動載系數(shù)整體增大明顯，來壓期間，工作面煤壁片幫明顯，片幫深度最大1.0 m，機尾采空區(qū)頂板垮落不及時，存在明顯的懸頂現(xiàn)象。 42202 輔助運輸巷副幫出現(xiàn)幫鼓及幫錨索鎖具回退的現(xiàn)象。

4.2.2 42202 工作面輔助運輸巷變形特征

在42202 工作面輔助運輸巷距離開切眼200 m處開始每隔100 m 布置1 個測點，200～900 m 共布置8 個測點，采用“十字布點法”進行煤巷斷面位移觀測，“十字布點法”示意圖如圖8，其中A 點布置在頂板中間位置，B 點布置在正幫，D 點布置在副幫，B點和D 點在同一高度上，C 點為從A 點處引一細繩在自然下垂狀態(tài)下與底板的交點。測點1～測點8 號點對應工作面距開切眼200～900 m 位置。42202 工作面在壓裂區(qū)域和未壓裂區(qū)域回采時輔助運輸巷圍巖移動變形規(guī)律如圖9。

圖8 “十字布點法”示意圖Fig.8 Schematic diagram of“cross point distribution method”

圖9 輔助運輸巷圍巖移動變形規(guī)律Fig.9 Surrounding rock movement and deformation law of auxiliary transportation roadway

1）測點1～測點6 距開切眼位置200～700 m（頂板壓裂區(qū)域），兩幫的最大移近量在150～200 mm 之間，平均175 mm。頂?shù)装遄畲笠平吭?00～150 mm之間，平均125 mm。

2）測點7～測點8 距開切眼位置800～900 m（頂板未壓裂區(qū)域），兩幫最大移近量在200～300 mm 之間，平均250 mm。頂?shù)装遄畲笠平吭?50～180 mm 之間，平均165 mm。

因此，采用定向長鉆孔分段水力壓裂頂板弱化后，42202 工作面輔助運輸巷兩幫移近量減小了30.0%，頂?shù)装逡平繙p小了24.2%，有效減緩了42202 輔助運輸巷圍巖變形量。42202 工作面在壓裂區(qū)域和未壓裂區(qū)域回采時，輔助運輸巷副幫變形情況如圖10。

圖10 輔助運輸巷副幫現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.10 Site photos of auxiliary transportation roadway

4.3 水力壓裂前后輔助運輸巷應力分布特征

4.3.1 輔助運輸巷正幫應力分布特征

42202 輔助運輸巷距開切眼400 m 開始，在正幫每隔50 m 安裝1 組圍巖應力監(jiān)測設備，共布置12 個測點。每個監(jiān)測點布置2 個監(jiān)測設備，1 個深基點，深度15 m；1 個淺基點，深度9 m。42202 輔助運輸巷正幫應力監(jiān)測方案如圖11。

圖11 輔助運輸巷正幫應力監(jiān)測方案示意圖Fig.11 Schematic diagram of stress monitoring scheme of auxiliary transportation roadway

選擇400～700 m 壓裂區(qū)域及700～950 m 未壓裂區(qū)域內的應力數(shù)值作為研究對象，得到的42202工作面輔助運輸巷正幫應力變化規(guī)律如圖12。

圖12 輔助運輸巷正幫應力變化規(guī)律Fig.12 Stress variation law of auxiliary transportation roadway

1）測點1～測點7 距開切眼位置400～700 m（壓裂區(qū)域），深基點監(jiān)測到的應力值在3.5～5.5 MPa 之間，淺基點監(jiān)測到的應力值在4.5～5.3 MPa 之間。

2）測點8～測點12 距開切眼位置750～950 m（未壓裂區(qū)域），深基點監(jiān)測到的應力值在4.5～6.5 MPa之間，淺基點監(jiān)測到的應力值在4.5～7.8 MPa 之間。頂板水力壓裂后，對減弱42202 輔助運輸巷圍巖應力效果明顯。

4.3.2 輔助運輸巷頂幫錨索和副幫錨桿應力特征

42202 工作面輔助運輸巷距開切眼400 m 位置開始，每隔50 m 安裝1 組錨索和錨桿受力監(jiān)測設備。共布置12 個監(jiān)測點，每個監(jiān)測點布置2 套監(jiān)測設備，1 套頂板錨索監(jiān)測設備，1 套副幫錨桿監(jiān)測設備。根據(jù)12 個監(jiān)測點監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到的42202 工作面輔助運輸巷頂板和副幫錨桿（索）受力規(guī)律如圖13。

圖13 輔助運輸巷頂板和副幫錨索/錨桿受力規(guī)律Fig.13 Stress law of anchor cable/bolt in auxiliary transportation roadway

1）距離切眼位置400～700 m（壓裂區(qū)域），輔助運輸巷頂板錨索受力在15～45 kN 之間，副幫錨桿受力在15～50 kN 之間。

2）距離切眼位置750～950 m（未壓裂區(qū)域），輔助運輸巷頂板錨索受力在15～20 kN 之間，副幫錨桿受力在18～50 kN 之間。頂板錨索受力在經(jīng)過頂板壓裂區(qū)后出現(xiàn)了顯著降低的過程，而錨桿在經(jīng)過頂板壓裂區(qū)后出現(xiàn)了波動變化的情況。說明采用定向長鉆孔分段壓裂技術后，42202 工作面上部細粒砂巖基本頂壓裂效果較好，上覆應力集中向深處轉移，有效緩解了工作面遠場應力集中現(xiàn)象。

5 結 語

1）堅硬頂板未進行水力壓裂，下位基本頂懸露面積過大，上覆巖層載荷集中作用在支架及前方煤壁上，導致超前支承壓力集中系數(shù)過大，是造成強礦壓現(xiàn)象發(fā)生的根本原因。采用定向長鉆孔分段水力壓裂可以使下位基本頂有序回轉變形，形成了穩(wěn)定的砌體梁結構，上覆巖層載荷由“采空區(qū)垮落矸石-液壓支架-工作面煤壁”支撐系統(tǒng)共同承擔，可有效避免工作面強動載效應和巷道變形失穩(wěn)。

2）針對布爾臺煤礦42202 工作面開采條件，提出了考慮工作面“見方”影響的壓裂方案，完成壓裂鉆孔施工9 個，進行分段壓裂74 段。壓裂過程中，出現(xiàn)3.0 MPa 以上明顯壓降593 次，表明在工作面“見方”影響范圍實施定向水力壓裂能夠有效降低堅硬頂板的整體強度。

3）通過對比42202 工作面壓裂區(qū)域和未壓裂區(qū)域的相關數(shù)據(jù)，得出壓裂區(qū)域工作面來壓強度和來壓步距降幅明顯，輔助運輸巷圍巖穩(wěn)定性明顯提升，取得了較好的壓裂效果。