烏蘭木倫煤礦初次放頂水力壓裂技術應用研究

摘 要：文章根據神東礦區烏蘭木倫煤礦頂板巖層強度不高、厚度較大、穩定性和整體性較好的特點，針對該礦工作面回采之后頂板無法自然垮落的問題，在該煤礦31409工作面初次放頂中，開展了水力壓裂技術的設計、施工、監測等方面的應用研究。應用結果顯示，在實施水力壓裂工藝后，31409工作面初次垮落過程未形成沖擊， 未對工作面的采煤工作產生影響， 安全地實現了工作面的初采， 水力壓裂控頂技術應用達到了預期效果。

關鍵詞：煤礦；初次放頂；水力壓裂

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.041

1 前言

我國大部分煤礦采空區頂板無法隨工作面推進及時垮落，如果遇到巖石強度高、節理裂隙不發育、厚度大、整體性強、自承能力強等條件的頂板巖層，煤層開采后采空區頂板大面積懸露在采空區，短期內不垮落；一旦垮落，將會產生大面積、大高度的一次性垮落，這將產生強烈的周期性來壓。經過監測分析，神東礦區烏蘭木倫煤礦工作面初次來壓步距一般為40-70m。工作面初采時，90%以上的工作面需要實施爆破強制放頂，否則易造成工作面頂板大面積懸空，一次性垮落時往往伴隨強烈的動力現象，造成設備損壞、危及人身安全等惡性事故，嚴重影響礦井的安全生產。

2 水力壓裂技術及工藝

2.1 水力壓裂技術

水力壓裂（Hydraulic Fracturing）是指在鉆孔過程中由于受到內部液體壓力頂板發生開裂并且裂紋向周圍擴展的過程。水力壓裂可應用的領域范圍較廣，因此還被叫做水壓致裂、水力劈裂。目前在我國該技術廣泛應用于石油開發開采、天然氣開采或地熱開發利用以及放射性廢物的環保處理、地應力的及時測量等方面。

水力壓裂技術是指采空區放頂時需要控制水力壓裂裂紋擴展方向，進而控制鉆孔時控制壓裂預制裂縫的擴展速度和方向。該技術對堅硬頂板的控制效果良好，削弱頂板的強度和整體性，尤其是能夠有效壓裂和軟化。在采空區頂板放頂能夠在垮落時能夠分層分階段的進行，可以使垮落時的壓力有效降低，進而減小或消除頂板垮落的危害，使頂板能夠達到自然垮落的效果。

2.2 水力壓裂控頂技術特點

（1）與傳統水力壓裂作業不一樣的是該種技術能夠適應比較堅硬難垮的頂板，這種技術必須在井下進行，作業條件比較苛刻，存在一些問題比如作業空間狹小等。

（2）水力壓裂控頂技術必須適應于當前對作業快速實施的要求，這是因為目前的煤炭開采多使用長壁式綜合機械，在開采時進程速度比較快，因而頂板要及時垮落。

（3）在正常進行煤炭開采時，水力壓裂控頂技術對其影響較小可以忽略不計。

（4）相比于傳統的爆破控頂，水力壓裂控頂技術的安全性要更好，鉆孔數目也不必過多，使得頂板垮落速度較快。

2.3 水壓壓裂工藝過程

水力壓裂控制煤礦堅硬難垮頂板工藝過程如下。

（1）利用普通鉆頭，在巷道頂板堅硬巖層中鉆孔，鉆進至堅硬巖層需要壓裂段后停止鉆進。其中，鉆孔角度及長度根據堅硬巖層厚度、工作面長度確定。鉆機施工過程中嚴格按照鉆機操作規程施工。

（2）將普通鉆頭換為可預制橫向切槽的特殊鉆頭，在水力壓裂段預制橫向切槽。是否開槽以及開槽次數、開槽位置根據頂板強度和結構確定。

（3）普鉆加深。退出橫向切槽鉆頭，利用普通鉆頭繼續在鉆孔中鉆進一段距離，為壓裂段封孔提供空間。

（4）將垮式鉆孔封隔器和注水管推進至水力壓裂段。

（5）利用手動泵為封隔器加壓使膠筒膨脹，達到封孔目的；手動泵封孔所需壓力一般為10-20MPa左右。

（6）將高壓泵與注水管連接，開啟高壓泵直至壓裂完成。壓裂過程嚴格按照壓裂要求實施。

3 31409工作面初次放頂頂板水力壓裂設計

在烏蘭木倫煤礦，初次放頂頂板水力壓裂技術首先應用在31409綜采工作面，該工作面切眼分為切眼I和切眼II，傾向長度均為147.5m。采高4.2m，煤層結構簡單。

3.1 設計原則與設計依據

（1）設計原則：水力壓裂技術可有效控制工作面頂板初次垮落，最大程度削弱頂板的整體性，使得工作面頂板呈分層及時垮落。水力壓裂技術有效控制頂板的同時，避免給工作面的正?；夭蓭碛绊?，避免由于過度壓裂和軟化導致工作面頂板維護困難，避免由于水力壓裂給頂板管理帶來困難，避免其它可能的災害。

（2）工作面老頂厚度較大，整體性強、穩定性好，初次垮落需采取強制措施。

（3）根據理論分析、煤層厚度、頂板巖層厚度，巖層結構。

（4）工作面難垮頂板水力壓裂初次放頂設計及施工經驗。

（5）上述地質資料較為簡單，施工前在切眼頂板進行巖層結構窺視和圍巖強度測試（切眼范圍選取3個測點），根據現場測試結果指導設計與施工。

（6）工作面安裝后對切眼支護退錨，保證頂板及時順利垮落。

3.2 初次放頂頂板水力壓裂設計

（1）根據鉆孔位置的不同，鉆孔布置為：在切眼I布置壓裂鉆孔L（L1-L8，共8個）和壓裂鉆孔S（S1-S7，共7個），垂直煤壁布置；在切眼I順槽布置壓裂鉆孔S（S8-S13共6個）；在切眼II布置壓裂鉆孔L（L1-L8，共8個）和壓裂鉆孔S（S1-S8，共8個）；在切眼II順槽布置壓裂鉆孔S（S9-S11，共3個）垂直煤壁布置布置。

（2）在切眼順槽分別布置B（1，2）孔。鉆孔進尺總計：600m（24個S孔）+544m（16個L孔）+152m（3個B孔）=1296m。

鉆孔參數為：

壓裂鉆孔-S，鉆孔長度25m，傾角為40°；

壓裂鉆孔-L，鉆孔長度34m，傾角為15°；

壓裂鉆孔-B1，鉆孔長度53m，傾角為20°；

壓裂鉆孔-B2，鉆孔長度46m，傾角為30°。

（3）施工順序。首先進行壓裂-L的鉆孔和壓裂施工，完成后再進行S孔的鉆進與壓裂作業。壓裂鉆孔-B是在工作面頂板懸頂面積較大時再實施壓裂（鉆孔提前施工）。鉆孔施工采用ZDY650鉆機及配套鉆機平臺，見下圖，鉆頭直徑56mm。

將封孔器推入孔底后，每隔3m壓裂一次（根據現場情況調整），S孔預計壓裂6次，L孔預計壓裂8次，根據窺視，巖層有水平層理，壓裂后裂縫沿水平方向擴展，最后一次壓裂位置距離煤層2m以上，防止切頂與架前漏頂事故發生，保證工作面回采安全。

（4）鉆孔注水壓裂。封孔器的安裝：連接安裝封孔器，然后接靜壓水對封孔器進行排氣、試壓，保證運作正常，通過高壓膠管將連接好的手動泵和儲能器與封孔器連接，連接處“O”型密封圈密封，連接采用快速連接方式。

高壓水泵的調試：高壓泵型水泵電機功率為90KW，配備相應的防爆開關，給水泵接電；水泵進水口接靜壓水，出水口連接高壓膠管，高壓膠管的另一端連接注水鋼管；檢查各個連接處，連接無誤后給高壓水泵先通水再通電，調整正反轉，觀測水泵是否正常運作。

4 水力壓裂施工工藝及應用效果

4.1 礦壓觀測

（1）工作面礦壓觀測區的設置。回采工作面所有支架PM32和立柱壓力表上均能顯示工作面支架的工作阻力，故在初采初放期間，每推進一個循環對支架的工作阻力進行一次記錄。

回采工作面及端頭巖層垮落量與垮落步距統計，每推進一個循環對頂板的垮落情況進行一次記錄。

（2）工作面礦壓的觀測方法。采用支架初撐力及支架工作阻力與工作面推進距離的關系的觀測方法，即支架移架后，讀出支架PM32控制器上壓力傳感器讀數為支架初撐力；當采面經過一個循環后采煤機割煤前可從PM32控制器或壓力表上立即讀出最大工作阻力。

安排專人進行頂板垮落情況統計，每推進一個循環記錄一次。

（3）工作面礦壓觀測的內容。工作面頂板垮落量與垮落范圍統計，支架的阻力觀測、支架活柱伸縮量的觀測、巷道圍巖變形觀測（記錄宏觀變化）、巷道圍巖表面位移觀測（記錄宏觀變化）、順槽超前支護單體液壓支柱阻力觀測、支護質量動態監測。

（4）工作面礦壓觀測所需的分析內容。根據觀測結果對水力壓裂弱化頂板巖層的效果、壓裂后工作面頂板活動規律、來壓特征、工作面支架受力特點、支架對頂板的適應性及控制效果、超前支撐壓力影響范圍和分布特點、頂板穩定性、工作面支護質量等進行分析。

4.2 水力壓裂效果監測

水力壓裂效果的監測可根據臨近鉆孔出水情況判斷壓裂范圍，在初采過程中觀測支架受力狀況、頂板來壓步距，通過與爆破放頂對比分析礦壓監測數據，評價水力壓裂控制頂板的效果。

完成水力壓裂的鉆孔可作為下一個壓裂鉆孔的觀測孔。如果在壓裂時發現觀測鉆孔中有水，這時要拉開壓裂鉆孔之間的距離，沒有發現觀測鉆孔中有水，這時要減小壓裂鉆孔之間的距離；

工作面礦壓監測設計。進行“三量”（即頂底板移近量、支柱活柱下縮量、支架載荷）測量并整理數據，從而評價水力壓裂效果。

5 總結

（1）烏蘭木倫煤礦采空區頂板巖層水力裂縫的最大范圍為20至35m。

（2）烏蘭木倫煤礦水力壓裂技術采用的高壓水的壓力為8～22MPa，水的流量約為80L/ min。通過監測可知，工作面推進10m左右后采空區頂板全部直接垮落，推進40m左右后基本頂垮落完成。

（3）采用水力壓裂技術對采空區頂板巖層進行弱化后，頂板垮落過程未對工作面產生沖擊和影響。

參考文獻：

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