水力壓裂技術在東龐礦21222工作面頂板初次垮落應用效果研究

冀中能源股份有限公司東龐礦技術科 河北 邢臺 054000

一、綜述

東龐礦隨著采掘戰場不斷向深部水平轉移,煤層賦存地質條件日趨復雜。受地質條件影響,回采工作面布置困難,邊角煤開采增加,同時工作面回采動壓對開拓、準備巷道的影響日趨明顯。21113工作面皮帶巷與深部水平軌道大巷之間留有100m保護煤柱,為避免21113工作面回采影響深部水平軌道巷的穩定性在21113工作面皮帶巷施工水力壓裂技術,對深部水平軌道巷取得了較好的保護效果。

在水力壓裂技術對大巷保護取得初步效果后,東龐礦繼續開展水力壓裂技術在回采工作面頂板初次垮落方面的應用研究。在21222工作面設計施工了切眼水力壓裂,通過與東龐礦直接頂、老頂初次跨落時間的對比,直接頂初次跨落步距縮短5m左右,老頂初次跨落步距縮短10m左右,效果明顯。

二、水力壓裂設計

2.1 21222工作面概況 根據21220工作面實測資料,工作面內2號煤層沉積較穩定,結構復雜,含有一層夾矸,煤層及夾矸厚度有一定變化。煤層總厚4.1～5.4m,平均4.6m。煤層傾角為3～7°,平均為4°,煤層傾向為32～278°。工作面設計走向長681-698m,平均689m,傾斜長84-171m,平均157m,工作面底板標高-490～-530m。

為避開北f161斷層,21222皮帶巷掘進直至頂到北f161斷層后拐90°彎后施工21222工作面切眼,與21222軌道巷貫通。21222工作面切眼設計總長165m,初掘規格為寬×中高=4.5×3.5m。

21222工作面切眼水力壓裂用于弱化頂板,以達到削弱頂板完整性的目的,確保工作面初采期間頂板能夠及時并分層分次垮落。

2.2 21222工作面水力壓裂參數設計 東龐礦21222工作面切眼壓裂鉆孔布置于切眼回采側頂板及上下端頭。工作面切眼布置Q1、Q2兩種類型鉆孔,孔間距為14m,Q1、Q2型鉆孔交錯布置;其中Q1孔深36m,仰角30°,共設計鉆孔12個;Q2孔深40m,仰角50°,共設計鉆孔16個。工作面上下端頭分別設計Y型鉆孔2個,共設計鉆孔4個,Y型鉆孔孔深45m,仰角40°。工作面共設計鉆孔32個,總設計孔深1252m。

鉆孔施工采用ZDY1200S鉆機,鉆頭直徑56mm。鉆孔施工完畢后,封孔、注水壓裂采用倒退式壓裂法,即從鉆孔底部向外依次進行壓裂。頂板水力壓裂包括封孔、高壓水壓裂、保壓注水三項主要工序。

鉆孔施工及壓裂施工可根據現場條件調整壓裂位置和壓裂時間,避免壓裂影響巷道巷道安全。

三、實施后的效果及創新點

3.1 頂板管理 東龐礦未施工水力壓裂工作面初采一般直接頂初次跨落步距14-20m,老頂初次垮落步距28-32m。21222工作面切眼采用水力壓裂后,初采推進10m左右直接頂初次垮落,推進19m后老頂初次垮落。對比之前,直接頂初次垮落步距縮短5m左右,老頂初次垮落步距縮短10m左右,并且跨落更加均勻充分,解決了工作面初采期間強制放頂的安全管理難題。

3.2 瓦斯管理 采取水力壓裂技術管理頂板后,直接頂、老頂初次垮落步距均明顯減小,頂板垮落更加均勻,杜絕了初采期間因大面積頂板同時掉落造成隅角瓦斯突然增大、瓦斯超限的的情況,初采期間隅角瓦斯濃度始終在0.6%以下,有效的保證了礦井初采安全生產。

圖1-21222工作面皮帶巷水力壓裂設計示意圖

四、經濟及社會效益

安全效益:通過“水力壓裂技術研究與應用”項目在21222工作面切眼的實施,確保了工作面初采期間采空區頂板及時跨落且采空區垮落更加均勻,未出現采空區頂板大面積懸頂不落得現象,初采期間隅角瓦斯濃度始終在0.6%以下,未發生瓦斯超限等事故,為21222工作面初采期間頂板管理及瓦斯管理工作創造了良好條件。

五、推廣應用情況

目前,我礦正在21219工作面切眼和2913工作面進行了水力壓裂的設計施工,保證初采期間切眼及隅角頂板及時垮落,避免初采期間頂板大面積跨落造成瓦斯超限等事故。

根據礦井采掘銜接,東龐礦下一步計劃逐步在各回采工作面切眼及巷道進行水力壓裂,保證工作面初采期間頂板及時、均勻跨落,減小工作面回采對鄰近生產系統巷道的影響。