正利煤業14-1-201工作面堅硬頂板水力壓裂技術的應用

朱正東

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司，山西 呂梁 033100）

0 引言

煤巖體水力壓裂技術的原理是利用鉆孔水壓的作用,改變孔邊煤巖體的應力狀態，導致孔邊起裂和裂縫擴展，進而利用裂隙水壓力，控制水壓主裂縫的擴展。同時,隨水壓主裂縫的擴展，裂縫水壓向兩側滲透形成滲透水壓力,引起原生節理裂隙在其兩端進一步擴展，其擴展方向一般垂直于最小主應力方向,導致擴展分支裂縫與原生裂隙面成一定的夾角,稱為翼型分支裂縫。水力致裂后,煤巖裂隙密度增大,裂縫網絡連通性提高;總體上形成了主節理裂隙、翼支裂隙和主水力裂隙的裂隙網絡,提高了煤層的冒放性。在煤炭開采中，隨著工作面的推進而垮落的巖層稱為直接頂。直接頂上覆巖層具有較強的自承能力、堅硬而完整的堅硬頂板，此類頂板在采后末段易形成大面積難垮懸頂。當懸頂長度到達極限跨距時突然冒落，會導致沖擊地壓或煤與瓦斯突出等災害，造成損壞設備甚至造成人身傷亡。針對堅硬頂板，目前較為常用的卸壓方法為聚能爆破技術和水力壓裂技術。由于井下火工品的使用在井下環境受到限制，因此水力壓裂技術成為更加經濟實用的技術，通過在井下頂板鉆孔中注入高壓水，并在鉆孔處形成應力集中區域，高應力使巖層起裂，隨后形成裂縫網絡，從而使堅硬頂板及時垮落。本文對水力壓裂技術在正利煤業14-1-201工作面的應用進行了分析和研究，探討了該項技術的應用效果，并為控制同類頂板提供參考。

1 工程概況

正利煤業14-1-201工作面主采4號煤，埋深606～668 m，煤層厚度1.9～3.5 m，平均煤層厚度為2.4 m，采用綜合機械化開采，全部垮落法管理頂板，可推進長度為1 220 m，平均走向長度1 497 m，傾向長度280 m，工作面布置見圖1。工作面附近煤巖層柱狀圖見圖2，煤層基本頂為粉砂巖。該工作面西部與14-1-101工作面采空區相鄰，其動壓對本工作面副巷產生影響，出現錨桿錨索破斷現象，底鼓量達1.5 m，兩幫回縮量達1.5 m，頂板下沉量最大達500 mm；14-1-201工作面正巷上隅角懸頂也對安全生產和正常推進造成制約，最大懸頂長度達20 m，容易造成瓦斯積聚超限。采用水力壓裂技術控制該工作面堅硬頂板，進行回采期間頂板的及時垮落，并對水 力壓力技術在該工作面的應用效果進行研究和分析。

圖1 14-1-201工作面布置圖

2 水力壓裂切頂卸壓技術研究

2.1 技術原理

采煤過程中，工作面持續推進，采空區會隨著工作面的推進而暴露大范圍頂板，這些頂板巖層出現冒落；有些采空區頂板在不易冒落，是由于其頂板屬堅硬頂板，大多為堅硬的砂巖和石灰巖。這些巖層面積較大，不能隨工作面推進及時冒落，會在采空區上方形成懸頂，造成不穩定邊界結構。而這些堅硬頂板的突然垮落會造成諸多事故的發生，因此需要對頂板進行認為的弱化處理。水力壓裂技術應用領域很廣泛，如：石油、天然氣和地熱的開采、核廢物處置等領域。

定向水力壓裂首先需設置壓裂區域，在該區域預先設定裂縫，高壓水沿著預先制得的裂縫行走，使頂板形成的裂縫擴展最終形成裂縫網絡，最終使堅硬頂板強度弱化，不易冒頂板得以控制。該方法在堅硬頂板控制方面有較多成功案例，證明其擁有良好的經濟效益和實用性。圖3為頂板水力壓裂示意圖，其中，封孔器由中心管和封隔器膠筒組成，是高壓水流的通道，在施工過程中，高壓水經過中心管進入巖孔，用于壓裂巖石，而高壓水的存儲空間為封隔器和中心管之間，以此來密封壓裂段。高壓水泵選用電壓660/1140V，油泵流量為80 L/min。為實時監控水壓，開發并研制了KJ327-F水壓致裂數據采集儀，該儀器使用方便，具有防水功能，并能實時記錄流量和壓力的變化。

2.1.1 水平井分段壓裂技術

水平孔是間隙技術的一個重要分支。該技術在短時間內可產生多條水力裂縫,具有一定的優勢。這就形成了一種相對快速的排水方式,這可能會減少對存儲層的損害。然而,該技術的難點主要在于壓裂工藝的劃分和井下封堵工具的選擇。一般將間隙技術分為不同的類別,主要依據鎖緊方法的不同，一般分為水力壓裂。

2.1.2 直井多層分壓技術

1）封隔器分層壓裂。分壓技術是目前最先進的壓裂技術之一。然而,由于空氣要求高、操作復雜、施工成本高、施工風險大,抗堵層壓力的應用并不全面。主要體現在以下幾個方面。首先,層重新分配。最小子庫存量層應力較大,在大型深孔工程中應用廣泛；二是雙密封壓裂橋電容分離技術易于控制,使壓裂油層上可以進行任何可能的壓裂油層；第三,套管多層印刷技術理論上允許無限多個連續斷裂和大量擠壓，但技術復雜,施工過程穩定性差,施工風險高。

2）連續油管分層壓裂技術。該技術解決了多層負載的問題。在某種意義上,可以延長壓力該技術解決了多層負載的問題。在某種意義上,它可以延長壓力。從空氣管道的改建平面來看，具有很大的優勢。但是由于設備的復雜性,也存在一定的局限性,這種技術的問題會嚴重影響裂縫的質量和程度。

3）化學隔離分段壓裂。在油氣勘探中，化學破碎是常見的分裂方法。化學隔板主要用于打破水平井底層的管道支撐,用注水射流處理,最后用水溶性自學習活塞解決,使地面沉降成為可能。在石油生產中,這種水處理工藝在電壓突然下降的情況下可以造成有效的堵塞,使其得到很好的利用,更好地利用天然氣資源。

2.2 現狀分析

2.2.1 側向支撐壓力

回采作業進行后，采空區礦壓轉移至周圍支撐區，形成可移動支撐壓力，位于工作面前方，形狀為方形；在工作面后方和上、下方形成殘余支承壓力，如圖4所示。本次卸壓對象為圖3中曲線2、曲線3，為工作面側向支承壓力。

圖3 采空區周圍應力重分布

回采工作面的應力分布會隨著采動而變化，工作面前方由于尚未開采，幾乎不受采動影響，并且距離較遠，為原始應力區域；在工作面附近，受采動影響最為劇烈，為應力增大區域；在工作面后方遠離工作面的區域，采動影響逐漸變得穩定。故在工作面附近的支撐壓力增大，從而導致護巷煤柱荷載突增，外巷巷道開始出現片幫、底鼓，巷道變形也逐漸增大，如圖4、圖5所示。

圖4 支承壓力隨工作面推進變化

圖5 護巷煤柱在回采工作面前后方的應力分布

在采用陷落法時，采空區頂板會出現失穩區域，從上到下依次為：彎曲下沉帶、裂隙帶、冒落帶。冒落帶具有一般采厚2～4倍的巖層厚度，其厚度取決于頂板巖層賦存狀態和開采厚度。隨著頂板巖層的冒落，高度到達h時形成裂隙帶，這是由于頂板上部巖層受已垮落巖石的制約，導致其不再自由垮落，而已冒落的巖石被壓實，故形成裂隙帶。裂隙帶巖層保持原有層次，但其結構被破壞，又由于巖石受上部巖層擠壓而被壓實，在某一點可能到達平衡狀態，這會使采空區煤柱荷載增大。彎曲下沉帶位于裂隙帶上方，此部分巖層裂隙減少，進行整體移動時對礦壓顯現影響較小。

采空區上覆巖層的破壞可分為3個階段，如圖6所示。Ⅲ內上覆巖層為懸垂狀態，采空區兩側壓力由于受到該部分巖層重量而導致受壓，這部分壓力稱為支承壓力，遠大于原始應力，而采空區要低于原始應力。回采后，位于冒落帶的巖石被壓縮，底板受到了采空區上覆巖層的壓力，這使得煤柱壓力降低。工作面后方，由于頂板垮落，使冒落帶巖石受壓，從而導致底板巖層和冒落帶壓力回退，恢復至原始應力處，與此同時，煤柱受壓也趨于穩定。沿回采方向，煤體與煤柱受力情況與回采空間前后的應力分布聯系緊密，它反映了在采煤過程中，受采動影響引起應力重新分布，是維護巷道理論中十分重要的因素。位于采空區的巖層，運動或者破壞，都會造成煤柱受力的變化。

圖6 回采工作面前后方的應力分布

2.2.2 現有卸壓技術

1）底板切縫和兩幫切縫。底板切縫可以將底板水平應力轉移至深部，從小減小淺層底板的水平應力，避免了底板的彎曲和鼓包。影響切縫卸壓效果因素有很多，其中，切縫深度最為關鍵，應該根據不同應力分布場和底板巖石性質來確定。與此同時，兩幫切縫可以降低幫所受的承載力，將幫受應力轉移至深部。

2）鉆孔卸壓。鉆取卸壓孔，使應力重新分布。

3）松動爆破。松動爆破常用于兩幫或底板，爆破后產生裂縫，從而與底板深部脫離，將高應力區的巖層卸壓，將應力轉移至深部巖層。

4）卸壓煤柱。卸壓煤柱可以傳遞所承受壓力，其破碎后將應力轉移至較遠巖體上，從而控制底鼓。

綜上，這些方法均可以轉移或釋放巖體高應力區，但因成本巨大，安全性較低，并且難以控制最終效果。因此，使用定向水力壓裂技術實現堅硬頂板卸壓。

3 水力壓裂方案及效果

3.1 水力壓裂方案

根據14-1-201工作面頂板巖層厚度、巖性、礦壓顯現特點等，現設計水力壓裂鉆孔為雙側孔布置，鉆孔布置如圖7所示，具體參數如下：

1）鉆孔參數.水力壓裂鉆孔采用雙側布置，對頂板巖層進行窺視，后分析可得，確定了鉆孔長度均為40 m，空間距均為7 m，仰角均為50°，鉆頭直徑為60 mm，鉆桿直徑為42 mm。S1處鉆孔開孔位置距煤柱幫1～1.5 m，水平方向向巷道端頭向軸線順時針偏5°；R1處開孔，水平角為垂直于巷道軸線（向回采側）；S2處開孔位置距實體煤側幫1～1.5 m，水平角為巷道軸線（向端頭方向）逆時針偏5°；R2處水平角為垂直于巷道軸線（向回采側）。

2）水力壓裂參數。根據14-1-201工作面頂底板地應力分布情況，以及其巖層物理力學參數情況，計算出水力壓裂的起裂壓力為25～30 MPa，見公式（1）：

式中：Pb為水力壓裂的起裂壓力，MPa；σmax為巖層地應力的最大主應力，MPa；σmin為巖層地應力中的最小主應力，MPa。

并且，該水力壓裂分為一次壓裂和二次壓裂。一次壓裂深度為鉆孔13～40 m（深度）區段，在鉆孔施工好后進行壓裂，每3 m壓裂一次，遇堅硬砂巖每2 m壓裂一次，壓裂9～11次；二次壓裂深度為鉆孔3m-13m（深度）區段，在鉆孔即將進入超前架前進行壓裂，每3 m壓裂一次，壓裂3～4次。封孔壓力為10～16 MPa，保壓時間為30 min。壓裂的同時記錄壓力表讀數及附近鉆孔出水情況，如果相鄰鉆孔出水量非常大且壓力表讀數突然下降，停止本段壓裂。此外，進行一次壓裂時，如果附近錨索出水需停止本孔壓裂，工作面鉆孔布置如圖7所示。

圖7 14-1-201工作面水力壓裂鉆孔布置平面示意圖

3.2 效果分析

14-1-201工作面回采期間，在超前工作面95 m處，安裝巷道表面位移監測站，利用十字測點法，測量左右兩幫移近量、巷道頂板下沉量、底板鼓起量。工作面每推進8 m觀測一次，利用觀測結果，繪制出圍巖變形量與工作面間距關系曲線，見圖8。

圖8 圍巖變形量曲線

由圖8可知，巷道圍巖變形量隨回采作業的進行而顯現增長趨勢，其中底鼓量增加幅度最大。在工作面與觀測點間距～70 m時，巷道圍巖以較小的速度變形，變形總量微小；當間距＜50 m時，圍巖變形速率增加，其中，變形速率由慢到快分別為：右幫移近量、頂板下沉量、左幫移近量、底鼓量；當工作面推至觀測點時，圍巖變形量最大，底鼓量仍為最大，為158 mm，左幫移近量次之，為75 mm，右幫變形量和頂板下沉量變化最小，分別為13 mm和51 mm。數據表明，所有圍巖變形量均在合理范圍之內，滿足回采巷道使用要求。

另外，在14-1-201工作面回采作業期間，對副巷的懸頂進行測量，可知卸壓后該工作面副巷懸頂長度保持在5～8 m，長度合理，并且可以隨推采及時垮落，證明水力壓裂切頂卸壓技術取得了不錯的成果。

4 結論

針對正利煤業14-1-201工作面堅硬頂板難跨問題，采用水力壓裂切頂卸壓技術進行堅硬頂板的認為控制。在工作面副巷兩側進行水力壓裂鉆孔布置，并對鉆孔參數進行了設置，水力壓裂分為2段。通過對比巷道圍巖變形量可知，水力壓裂控制頂板方案實施后，圍巖變形量控制在了合理范圍內，懸頂長度較為合理，卸壓效果良好。