伊田煤業堅硬頂板水力壓裂弱化技術研究

徐學標

（山西潞安集團蒲縣伊田煤業有限公司，山西 臨汾 041200）

1 工程概況

伊田煤業2203 工作面布置在11#煤層二二采區，11#煤層位于太原組下段頂部，煤層平均厚度5.39 m，煤層傾角約0°～8°，煤層含3～5 層夾矸，整體結構穩定，賦存條件良好，為全區穩定可采煤層。2203 工作面切眼長度為310 m，沿東西方向布置，埋深約為220～355 m。工作面北部為井田北部邊界，無相鄰礦井，南部為11#煤東翼回風、膠帶、軌道三條大巷，東部、西部均為實體煤。

工作面無偽頂及直接頂，頂板為深灰色K2 灰巖，平均厚度達7.92 m，致密堅硬，強度較高，為典型的堅硬厚巖層。其在回采過程中無法及時垮落，易形成大面積懸頂，進而引起工作面及超前巷道頂板下沉，底鼓嚴重。因此，設計采用水力壓裂技術[1-5]提前弱化堅硬頂板，保證工作面安全回采。

2 分段壓裂機理及鉆孔布置

2.1 分段壓裂機理

定向長鉆孔分段壓裂是指在工作面的頂板開設鉆孔，并斜向上繼續鉆進至壓裂目標層位，隨后沿水平向前鉆進。壓裂工藝為雙封單卡拖動式壓裂技術，主要工作原理為將壓裂工具送入鉆孔指定位置后，開啟壓力泵向鉆孔內注液，當孔內壓裂液壓力達到3 MPa 后，封閉隔離器，繼續加壓至5 MPa 后打開限流器，并開始進行第一段頂板壓裂，如圖1（a）。

第一段壓裂完成后，關閉壓力泵并排出壓裂液進行卸壓，同時，封閉隔離器自動彈回，隨后，操作定向鉆機后退并拖動高壓管路及隔離器至下一壓裂段位置，進行下一段的壓裂施工，按此循環完成整段頂板的壓裂，如圖1（b）所示。該工藝可以使每段的壓裂裂縫形成貫通網絡，達到理想的頂板弱化效果。

圖1 分段壓裂工藝

2.2 鉆孔布置與裂縫長度

工作面頂板為深灰色K2 灰巖，均厚7.92 m，其充分垮落后可以有效充填采空區，減緩礦壓顯現強度，因此壓裂鉆孔可布置在K2 灰巖層位的中部。

為使壓裂區域盡量覆蓋整個工作面，定向鉆孔的鉆進方向與工作面走向一致，在工作面順槽鉆場內進行開孔，斜向上鉆進至頂板灰巖中部，隨后水平鉆進至指定位置，鉆孔的長度根據現場條件及鉆機設備的性能確定。每個位置布置的鉆孔數量與壓裂裂縫長度有關，為防止壓裂后的裂縫擴展至巷道內的錨固區而影響支護，裂縫起始端應與巷道保持30 m 的安全距離。工作面傾向長度為310 m，去除安全距離則剩余段為250 m，布置的鉆孔壓裂范圍應覆蓋工作面剩余段。

3 分段壓裂參數及施工設計

3.1 參數設計

采用三維裂縫模型分析壓裂時間及液體流速對裂縫半長的影響，根據2203 工作面頂板巖性情況建立模型，并假設：裂縫的最大寬度不變，裂縫尖端為圓滑狀，最小地應力在裂縫垂向上呈均勻分布，裂縫的擴展形態為橢圓形，如圖2。模擬中，模型圍巖的泊松比取0.22，剪切模量取5.25 MPa，壓裂液為水，其粘度取1，鉆孔半徑為80 mm，最小主應力取7.741 MPa。

圖2 三維模型裂縫形態

通過模型計算得出水力壓裂時頂板裂縫擴展的動態過程，將模擬結果繪制成曲線如圖3。由圖3可知，壓裂初期，裂縫在單位時間內的擴展長度較大，呈快速發育，壓裂進入中后期時，裂紋的擴展速度逐漸降低，單位時間內的擴展長度相對變小；裂縫半長會隨著壓裂時間的持續而逐漸增大，但其增長速度會隨著時間逐漸降低；裂縫半長的擴展速度隨著注液流速的增大呈先增后減的趨勢。根據以上變化趨勢，結合壓裂設備能力及現場實際條件，壓裂時間應不超過60 min，注液流速在1 m3/min 之內。

圖3 壓裂時間及液體流速對裂縫半長的影響

3.2 施工設計

基于區域分段治理堅硬頂板的思想，依據三維裂縫模擬結果進行施工設計。由于壓裂設備的裂縫壓裂半長最大只能達到60 m，為保證壓裂治理能夠覆蓋整個工作面，同一鉆場內沿工作面走向布置的鉆孔應為3 個，則每個孔的壓裂裂縫半長應大于41.6 m。

根據布孔原則及工作面走向長度，在工作面順槽內共布置8 個鉆場，每個鉆場布置3 個鉆孔，共計24 個鉆孔。鉆孔均沿工作面走向平行布置，單孔長度在330～705 m 之間，壓裂層位為頂板K2 灰巖中部，具體布置方案如圖4。

圖4 鉆孔平面布置方案

現場施工時，采用的壓裂泵組注液流速為0.8 m3/min，根據數值模擬結果，為保證單孔壓裂裂縫半長大于41.6 m，則壓裂時長應在30 min 以上。

4 應用效果分析

4.1 壓裂效果分析

為驗證水力分段壓裂的頂板致裂效果，選擇2203 工作面壓裂鉆孔中的一個鉆孔，對其孔內裂縫發育情況進行瞬變電磁測試。瞬變電磁可以較好地探測出地質體內裂隙、巖溶等低電阻敏感區，精度高且穿透力強。在該孔實施水力壓裂前后分別進行1 次瞬變電磁測試，如圖5。

圖5 瞬變電磁測試結果

對比分析壓裂前后孔內的測試結果可知：壓裂前孔內的低電阻異常區范圍較小，僅分布在150 m及190 m 附近，分析為圍巖的原生裂縫；進行水力壓裂后，低電阻異常區基本覆蓋了整個探測范圍，且異常強度較高的區域呈明顯的條帶狀，這些強異常區與分段壓裂的位置基本吻合。綜合分析認為，這些低電阻異常區為鉆孔水力壓裂后形成的裂縫擴展區，壓裂效果較好。

4.2 礦壓治理效果分析

統計經過水力壓裂治理后的2203 工作面的支架循環末阻力，并與未經治理的2201 工作面支架循環末阻力做對比，分析頂板水力壓裂對礦壓顯現的治理效果。

2201 工作面未進行堅硬頂板治理，其在推進過程中來壓強度較大，持續時間較長，工作面圍巖變形嚴重，支架壓架現象頻發。在正常推采階段，工作面來壓前平均支架循環末阻力為29.86 MPa，周期來壓時的平均支架循環末阻力為42.61 MPa，動載系數為1.48。

2203 工作面頂板經過水力壓裂治理后，在正常推采階段，其來壓前的平均支架循環末阻力為28.55 MPa，相比2201 工作面降低了4.39%；周期來壓時的平均支架循環末阻力為38.72 MPa，相比2201 工作面降低了9.13%；動載系數為1.29，相比2201 工作面降低了12.8%。可以看出，采用水力壓裂治理堅硬頂板后，工作面的礦壓顯現強度明顯降低，保證了工作面的安全回采。

5 結論

（1）基于水力分段壓裂機理，通過三維裂縫模擬軟件分析了壓裂時間及液體流速對裂縫半長的影響，得出壓裂時間應不超過60 min，注液流速應控制在1 m3/min 之內。

（2）2203 工作面進行壓裂施工時，同一鉆場內沿工作面走向布置的鉆孔應為3 個，每個孔的壓裂裂縫半長應大于41.6 m，而現場施工時采用的壓裂泵組注液流速為0.8 m3/min，根據數值模擬結果，則壓裂時長應在30 min 以上。

（3）對比分析水力壓裂前后工作面的礦壓顯現情況，結果表明，實施水力壓裂技術后，工作面來壓前的平均支架循環末阻力為28.55 MPa，相比治理前降低了4.39%；周期來壓時的平均支架循環末阻力為38.72 MPa，相比降低了9.13%；動載系數為1.29，降低了12.8%。說明該技術有效減弱了工作面的礦壓顯現強度，保證了工作面的安全回采。