煤礦短壁工作面水力壓裂頂板弱化試驗*

劉興安,韓 彪,魏 斌

(1.陜西神木神源煤炭礦業(yè)有限公司,陜西 榆林 719000;2.中煤科工開采研究院有限公司,北京 100013;3.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013)

0 引言

水力壓裂是近年來我國煤礦應(yīng)用較多的一種堅硬煤巖體處理技術(shù),在堅硬頂板處理等方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。采用水力壓裂弱化堅硬頂板是近幾年來研究和應(yīng)用的一個新方向,該方式具有安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)點,并且可以在工作面回采前進(jìn)行超前預(yù)裂,不影響工作面生產(chǎn),可顯著提高工作面開采效率。

近年來,隨著陜西省神木市部分礦井資源枯竭,為了提高礦井資源的回收,部分煤礦對大巷煤柱及井田范圍內(nèi)的邊角煤進(jìn)行回收,以創(chuàng)造更高的價值。但在工作面布置上切眼長度較短,回采期間受煤柱影響,工作面采空區(qū)頂板無法充分垮落,給工作面回采造成安全隱患[1]。針對某礦ST5201短壁工作面回采期間受煤柱支撐,采空區(qū)頂板承壓較小,不易垮落,懸頂長度有時甚至超過100 m,易造成采空區(qū)頂板垮落不及時,當(dāng)采空區(qū)面積較大時一次性垮落,造成人員傷亡和設(shè)備損壞的風(fēng)險[2]。針對短壁工作面堅硬頂板不易垮落的問題,結(jié)合工作面實際情況,對該工作面進(jìn)行了水力壓裂頂板弱化試驗。為此,通過ST5201工作面水力壓裂放頂進(jìn)行現(xiàn)場試驗分析,以期為類似頂板條件的水力壓裂應(yīng)用提供參考。

1 水力壓裂頂板弱化試驗

1.1 試驗區(qū)域頂?shù)装迩闆r

陜西省神木市某煤礦正在開采5-2煤層;煤層厚度3.04～4.06 m,平均3.5 m;不含或局部含一層夾矸,一般小于0.25 m。煤層厚度3.35 m,采用綜合機(jī)械化采煤工藝開采。煤層直接頂為中粒砂巖和細(xì)砂巖,厚度23.5 m;老頂為粉砂巖,厚度5.35 m,如圖1所示。煤層埋藏深度為12～129 m,為典型的淺埋深、堅硬難垮落頂板條件。

1.2 試驗區(qū)域巷道支護(hù)情況

1.2.1 頂部錨桿、掛網(wǎng)支護(hù)

錨桿采用MSGLW-335/20 mm×2 200 mm無縱肋螺紋鋼錨桿。前期錨桿布置以巷道中心點為基點,向右偏200 mm打設(shè)一根錨桿,錨桿間排距1 000 mm×1 100 mm,錨桿排列形式為矩形;后期錨桿布置以前期最左側(cè)錨桿為基點,間排距1 000 mm×1 100 mm布置錨桿,錨桿排列形式為矩形,每根錨桿使用一支CK2360型樹脂錨固劑進(jìn)行錨固,托盤采用150 mm×150 mm×8 mm高強(qiáng)弧形托盤。前期使用金屬網(wǎng)規(guī)格為4.8 m×1.2 m,后期使用金屬網(wǎng)規(guī)格為3.5 m×1.2 m,金屬網(wǎng)用φ6 mm鋼筋制作,網(wǎng)格為120 mm×120 mm,網(wǎng)與網(wǎng)之間相互搭接不少于100 mm,為便于網(wǎng)片搭接合理,網(wǎng)片搭接處使用14#鐵絲擰結(jié)牢固。錨桿垂直巖面,托盤密貼巖面,懸掛前探梁吊環(huán)的錨桿外露絲露出螺母的長度為30～50 mm,不懸掛前探梁吊環(huán)的錨桿外露絲露出螺母的長度為10～50 mm。

1.2.2 頂部錨索支護(hù)

錨索采用φ17.8 mm×7 500 mm 礦用同心鋼絞線錨索,呈“矩形”布置。第1根錨鎖安設(shè)在距右?guī)? m處,間排距為2 000 mm×3 000 mm,每排共3根錨索,前期每排布置2根錨索,每根錨索使用2支CK2360型樹脂錨固劑進(jìn)行錨固,托盤采用300 mm×300 mm×15 mm高強(qiáng)弧形托盤。巷道開口處、貫通處及四岔口處按雙排錨索支護(hù),支護(hù)范圍不小于10 m,間排距2 000 mm×2 000 mm。

1.2.3 幫錨支護(hù)

巷道兩幫如出現(xiàn)片幫或裂隙,必須及時使用專用長把工具清掉片幫煤,清理好退路,并立即對此段幫部進(jìn)行幫錨支護(hù),支護(hù)范圍要大于此段范圍前后各5 m。煤柱側(cè)采用無縱肋螺紋鋼錨桿支護(hù)。

1.3 水力壓裂技術(shù)介紹

水力壓裂過程是指內(nèi)部液體壓力作用與巖體裂紋使其開裂并向外部擴(kuò)展的過程,水力壓裂技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于石油、天然氣等各個工業(yè)領(lǐng)域[3]。在煤礦堅硬頂板弱化方面,水力壓裂技術(shù)是指在鉆孔設(shè)計壓裂段內(nèi)放入封孔器,將高壓水長時間持續(xù)注入巖體,使巖體產(chǎn)生裂隙,多鉆孔多次預(yù)壓裂使裂隙導(dǎo)通,達(dá)到使堅硬頂板弱化的效果,弱化特征主要表現(xiàn)在巖體出水、頂板有響聲等方面,使采空區(qū)頂板垮落能夠分層次,縮短初次來壓和周期來壓步距,達(dá)到減小或消除堅硬難垮落頂板對工作面回采危害的目的[4]。

1.4 水力壓裂弱化頂板方案

1.4.1 切眼水力壓裂

切眼處的水力壓裂鉆孔布置分為長孔L、短孔S、加強(qiáng)孔J,各孔型在剖面空間上位于不同的高低層位,以確保裂隙有足夠的擴(kuò)散半徑,較好的破壞巖石完整性,在工作面回采期間采空區(qū)頂板能夠及時冒落充實采空區(qū)。鉆孔布置及鉆孔剖面如圖2(a)所示。長孔L、短孔S、加強(qiáng)孔J這3種鉆孔布置于工作面前幫,鉆孔朝向工作面回采方向,該設(shè)計方式為了避免水力壓裂施工期間破壞巷道內(nèi)的支護(hù)強(qiáng)度。壓裂鉆孔L,鉆孔長度35 m,傾角為20°;壓裂鉆孔S,鉆孔長度30 m,傾角為30°;壓裂鉆孔J,鉆孔長度25 m,傾角為40°。

圖2 水力壓裂頂板弱化鉆孔布置平、剖面圖Fig.2 Plane and profile of borehole layout of hydraulic fracturing roof weakening

1.4.2 工作面水力壓裂

工作面在兩順槽端頭超前支護(hù)區(qū)域各布置鉆孔A 2個,鉆孔S 3個,主要針對堅硬頂板工作面兩順槽隅角在工作面初次來壓前冒落不充分設(shè)計。ST5201短壁工作面推進(jìn)過程中頂板垮落存在不連續(xù)性的風(fēng)險,順槽增加布置B孔和C孔2種孔型,對ST5201短壁工作面頂板進(jìn)行弱化處理。鉆孔布置及鉆孔剖面如圖2(b)所示。壓裂鉆孔A,鉆孔長度40 m,傾角為30°;壓裂鉆孔B,鉆孔長度40 m,傾角為20°;壓裂鉆孔C,鉆孔長度40 m,傾角為30°。

2 試驗效果監(jiān)測分析

2.1 壓裂前后鉆孔窺視對比

利用鉆孔電視成像儀對壓裂鉆孔壓裂前后進(jìn)行觀測,如圖3所示。通過壓裂前后對比可以看出壓裂前該段頂板較為完整,壓裂后該段巖層裂隙較為明顯,證明水力壓裂可以有效破壞頂板的完整性。

圖3 壓裂前后鉆孔窺視圖Fig.3 Peeping of borehole before and after fracturing

2.2 水力壓裂效果分析

水壓記錄儀壓力曲線如圖4所示。由圖可知,在高壓水的作用下當(dāng)水壓大于巖體該處的抗拉強(qiáng)度時,巖體將發(fā)生破壞,在該處產(chǎn)生裂隙,并逐漸擴(kuò)展,可以從圖中直觀的讀出,裂隙的起縫壓力和擴(kuò)展壓力。壓裂曲線呈現(xiàn)分段狀,這表明壓裂位置是分段移動的,達(dá)到分層壓裂的目的。隨著壓裂位置逐漸靠近孔口,巖體的受力環(huán)境改變,抗拉強(qiáng)度降低,水壓逐漸減小。裂隙能夠在相對恒定壓力的作用下不斷擴(kuò)展,曲線呈現(xiàn)極其緊密的鋸齒狀,表明裂隙每次都以相對較小的尺寸不斷延展[5]。

圖4 水壓記錄儀壓力曲線Fig.4 Pressure curve of hydraulic pressure recorder

從現(xiàn)場壓裂效果看出,當(dāng)壓裂至孔口位置15 m時,距施工地點10 m附近的鉆孔及此范圍內(nèi)的錨桿、錨索均有水流出,可以判定壓裂裂隙的擴(kuò)展范圍約為10 m,形成裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),對頂板的完整性進(jìn)行了破壞,強(qiáng)度進(jìn)行了弱化[6-7]。

2.3 現(xiàn)場垮落效果觀測

工作面推采至機(jī)頭18.9 m、機(jī)尾11.6 m,平均15.25 m時,采空區(qū)部分頂板開始分次垮落,依次垮落順序為5#～15#、16#～22#、23#～41#,從支架間觀測采空區(qū)垮落比較嚴(yán)實。當(dāng)工作面推采至20.5 m時,42#支架采空區(qū)向54#支架采空區(qū)依次垮落,垮落比較嚴(yán)實;兩順槽頂板垮落情況如圖5、圖6所示。以后采空區(qū)直接頂緊隨工作面推進(jìn)垮落。工作面在推采過程中液壓支架壓力普遍在28.2～29.5 MPa,最高壓力為30.9 MPa。

圖5 ST5201回風(fēng)順槽隅角冒落情況Fig.5 Caving of ST5201 air-return roadway corner

圖6 ST5201運輸順槽隅角冒落情況Fig.6 Caving of ST5201 transportation roadway corner

通過水力壓裂工藝后,采空區(qū)巖石垮落充填高度均超過支架高度,采空區(qū)墊層充分。頂板未見明顯的初次來壓增高現(xiàn)象,整個初采期間來壓比較緩和,推測初次來壓步距為20.5 m,縱觀整個工作面回采過程,本次水力壓裂施工有效的弱化了工作面頂板,保障了工作面回采安全[8-9]。

3 水力壓裂頂板弱化技術(shù)分析

某煤礦ST5201工作面頂板水力壓裂采用后退式單孔多次壓裂的方法,通過預(yù)制定向裂隙,將高壓水注入頂板不同的層位中進(jìn)行定向水力壓裂,破壞頂板完整性、達(dá)到分層、逐步垮落的目的。

圖7為分層水力壓裂技術(shù)示意(單位:m),從工作面一側(cè)及兩順槽回采幫上方肩窩處,沿一定角度α(20°、30°、40°)向頂板上方鉆孔,孔深L(25 m、30 m、35 m、40 m),在孔底位置開始,注水壓裂,結(jié)合頂板巖性情況逐段后退壓裂,通常后退間隔為3 m。位于工作面前方、高層位基本頂內(nèi)的水壓裂隙具有分散轉(zhuǎn)移基本頂上覆巖層載荷的作用,它的存在使得載荷前移,同時緩和了基本頂及其上覆巖層的沉降垮落過程[10]。定向水力壓裂頂板分層垮落技術(shù)可以針對某煤礦超短工作面達(dá)到分層垮落頂板、縮短初次來壓步距、降低工作面礦壓顯現(xiàn)的作用,現(xiàn)場效果良好[11-13]。

圖7 水力壓裂頂板弱化技術(shù)示意Fig.7 Diagram of hydraulic fracturing roof weakening technology

4 結(jié)論

(1)通過對某煤礦ST5201工作面地質(zhì)資料的收集,選定水力壓裂處理的堅硬頂板關(guān)鍵層位,并根據(jù)處理層位確定鉆孔參數(shù)及孔間距,以確保裂隙擴(kuò)散半徑符合堅定頂板弱化需求。采用分段多次壓裂的方式以達(dá)到頂板分層垮落要求。

(2)在ST5201工作面開展水力壓裂堅硬頂板弱化試驗,對水力壓裂效果及頂板垮落情況進(jìn)行了監(jiān)測和分析,通過對壓裂鉆孔周圍頂板錨索及相鄰鉆孔不同程度的出水情況觀察,確定了裂隙擴(kuò)散范圍符合預(yù)期要求,水力壓裂對工作面堅硬頂板弱化方面取得了較好的應(yīng)用效果;初采期間對支架壓力變化的分析得出ST5201工作面來壓步距和強(qiáng)度均有明顯減小,初次來壓支架壓力變化不明顯。

(3)通過對某煤礦ST5201短壁工作面采用水力壓裂頂板弱化技術(shù)的現(xiàn)場觀察與試驗分析,水力壓裂頂板弱化技術(shù)特點能夠適用于堅硬頂板短壁工作面,總體來說具有超前預(yù)裂不會影響工作面正常回采、可控性好、成本低、施工安全性好等特點,對于弱化頂板巖性,降低來壓強(qiáng)度方面效果明顯。