定向水力壓裂在煤礦堅硬頂板弱化中的應用

張向陽（晉城煤業(yè)集團古書院礦，山西 晉城 048000）

定向水力壓裂在煤礦堅硬頂板弱化中的應用

張向陽
（晉城煤業(yè)集團古書院礦，山西 晉城 048000）

以古書院煤礦153303工作面堅硬頂板為工程背景，分析了堅硬頂板的地質(zhì)力學參數(shù)，并以此為依據(jù)，進行了定向水力壓裂設(shè)計，通過監(jiān)測工作面推進過程中頂板來壓步距和液壓支架工作阻力評價壓裂效果，且與深孔爆破預裂技術(shù)進行了對比。研究表明：采用定向水力壓裂技術(shù)弱化堅硬頂板巖層，頂板及時垮落，來壓時支架工作阻力小，控頂效果好；與爆破控頂法相比，定向水力壓裂更能削弱堅硬頂板巖層的完整性和強度，來壓步距和工作面支架工作阻力更小，控頂效果更好，還具有安全性高、成本低、施工速度快和適應性強等優(yōu)點，有較好的推廣價值。

堅硬頂板；定向水力壓裂；來壓步距；液壓支架工作阻力

古書院煤礦主采15號煤層，該煤層直接頂屬于典型的強度高、整體性強、自穩(wěn)能力強的石灰?guī)r頂板，在工作面推進過程中，位于工作面的兩個端頭懸頂面積較大，無法及時垮落。采用超前深孔預裂爆破弱化方式處理工作面的難垮頂板時，會導致局部CO積聚，還需采取防止瓦斯爆炸的措施，安全管理難度加大，不利于安全生產(chǎn)。

定向水力壓裂技術(shù)是波蘭開發(fā)出用于煤礦堅硬頂板控制及沖擊地壓防治的技術(shù)，是指在鉆孔壓裂段預制裂縫，從而控制水力壓裂裂紋擴展方向的技術(shù)。對堅硬頂板的控制有著非常明顯的效果，主要表現(xiàn)在壓裂和軟化兩個方面，從而削弱頂板的強度和整體性，使采空區(qū)頂板能夠分層分次垮落，縮短初次來壓和周期來壓步距，達到減小或消除堅硬難垮頂板對工作面回采危害的目的[1-3]。文章針對古書院煤礦的生產(chǎn)地質(zhì)條件，應用定向水力壓裂技術(shù)進行現(xiàn)場應用，并評價水力壓裂技術(shù)弱化頂板的效果[4-6]，為該技術(shù)大規(guī)模的推廣應用提供可靠依據(jù)。

1 工程概況

本次水力壓裂現(xiàn)場試驗選擇古書院煤礦153303工作面，工作面標高+560 m～+585 m，地面標高+780 m～+900 m，走向長度1 900 m，傾向長度180 m，目前153303工作面處于孤島工作面。直接頂和老頂均為致密堅硬的石灰?guī)r，厚層穩(wěn)定，含有泥巖夾層。

1.2 地應力測量

采用SYY-56型小孔徑水壓致裂地應力測量裝置對15號煤層進行了地應力測量，測量結(jié)果如表1所示。σH，σV，σh，λ，φ分別為最大水平主應力、垂直應力、最小水平主應力、側(cè)壓系數(shù)及最大水平主應力方向。以水平應力為主，屬于構(gòu)造應力場類型。

表1 地應力測量結(jié)果

1.3 圍巖強度測試

采用WQCZ-56型圍巖強度測試裝置對巷道頂板10 m范圍內(nèi)的煤巖體進行了原位強度測試。測試結(jié)果顯示：15號煤層頂板以上10 m范圍內(nèi)石灰?guī)r強度平均值為116.55 MPa，致密堅硬，局部泥巖和泥質(zhì)砂巖混合巖層強度平均值為68.17 MPa，頂板圍巖整體強度較高，屬于典型堅硬頂板。

1.4 圍巖結(jié)構(gòu)觀察

采用鉆孔窺視儀對頂板圍巖結(jié)構(gòu)進行了觀察，觀察結(jié)果表明：頂板以上10 m范圍內(nèi)巖層巖性整體為石灰?guī)r，且賦存狀況穩(wěn)定（構(gòu)造區(qū)域除外），完整性更好，沒有存在明顯的泥巖夾層和裂隙，局部地段受構(gòu)造影響，頂板以上10 m范圍內(nèi)巖層存在泥巖和泥質(zhì)砂巖混層，此處圍巖裂隙比較發(fā)育；頂板以上20 m范圍內(nèi)，石灰?guī)r層以上巖層以粉細砂巖為主，巖層完整性普遍較好。

2 堅硬頂板定向水力壓裂設(shè)計

2.1 壓裂鉆孔布置

碾壓工序完成后立即采用一布一膜覆蓋方式進行養(yǎng)生，并配備噴霧式灑水車灑水，養(yǎng)生期為7d，在養(yǎng)生期間禁止車輛通行。

根據(jù)試驗區(qū)頂板地質(zhì)條件及地質(zhì)力學測試結(jié)果進行定向水力壓裂設(shè)計。在工作面兩個順槽布置上述3種壓裂鉆孔（L、S、H），鉆孔布置俯視圖，見圖1-a。在工作面煤體上方頂板交錯布置L和S孔，具體參數(shù)見圖1-b、1-c，其中S孔之間的間距為30 m，L孔之間的間距為30 m。H孔布置在距離煤柱約1m（可根據(jù)現(xiàn)場條件適當調(diào)整）處，其參數(shù)見圖1-d，鉆孔間距為10 m。

圖1 鉆孔參數(shù)布置圖

2.2 施工順序

鉆施工順序為：孔L鉆進、壓裂→鉆孔S鉆進、壓裂→鉆孔H鉆進、壓裂。

3 頂板壓裂控頂效果

通過監(jiān)測古書院礦150003工作面支架的工作阻力變化、初次來壓步距和周期來壓步距，并結(jié)合爆破切頂弱化頂板效果進行對比來評價定向水力壓裂的控頂效果。

3.1 工作面液壓支架壓力曲線圖

對工作面多個液壓支架的工作阻力變化進行監(jiān)測，從而評價定向水力壓裂對頂板的弱化效果，選取工作面端部及中間部位三個液壓支架作為代表。

圖2 1號支架壓力曲線圖

圖3 19號支架壓力曲線圖

圖4 26號支架壓力曲線圖

圖2-圖4為實測支架工作阻力曲線圖，支架的工作阻力相對較小，處于正常工作范圍值內(nèi)，反應在觀測期間工作面礦壓整體不大，說明堅硬頂板巖層經(jīng)過水力壓裂弱化后，在頂板形成大量裂隙，削弱了頂板的強度和完整性，頂板能夠及時垮落，周期來壓時對支架產(chǎn)生的壓力較小，因此支架工作阻力普遍較小，定向水力壓裂技術(shù)對頂板的控制作用很明顯。

3.2 與爆破切頂弱化頂板效果對比

古書院煤礦曾經(jīng)采用過深孔爆破法對其堅硬頂板進行卸壓。工作面的初次、周期來壓步距和支架工作阻力方面進行對比分析，如表2和表3所示。

表2 來壓步距對比

表3 支架工作阻力對比

通過分析表2和表3，定向水力壓裂技術(shù)初次來壓步距和周期來壓步距較小，工作面支架平均工作阻力與最大工作阻力也小于采用深孔爆破預裂控頂法的支架工作阻力，說明定向水力壓裂更能削弱堅硬頂板巖層的完整性和強度，控頂效果更明顯。

4 結(jié)論

1）古書院煤礦153303工作面直接頂屬于典型的強度高、整體性強、自穩(wěn)能力強的石灰?guī)r堅硬頂板，在工作面推進過程中，位于工作面的兩個端頭懸頂面積較大，難以及時垮落，造成極大的安全隱患。

2）采用定向水力壓裂技術(shù)能弱化堅硬頂板巖層，在頂板形成大量裂隙，削弱了頂板的強度和完整性，頂板及時垮落，且周期來壓時對支架產(chǎn)生的壓力較小，對頂板的控制作用很明顯。

3）與深孔爆破預裂頂板方法相比，定向水力壓裂更能削弱堅硬頂板巖層的完整性和強度，來壓步距和工作面支架工作阻力更小，控頂效果更好，還具有安全性高、成本低、施工速度快和適應性強等優(yōu)點，有較好的推廣價值。

[1] 孫守山，寧宇，葛鈞.波蘭煤礦堅硬頂板定向壓裂技術(shù)[J].煤炭科學技術(shù)，1999(2）：51-52.

[2]馮彥軍，康紅普.定向水力壓裂控制煤礦堅硬難垮頂板試驗[J].巖石力學與工程學報，2012，31（6）：1148-1155．

[3]康紅普，馮彥軍.定向水力壓裂工作面煤體應力監(jiān)測及其演化規(guī)律[J].煤炭學報，2012，37（12）：1953-1959．

[4]張占濤.堅硬頂板定向水力壓裂技術(shù)在王臺鋪煤礦的應用[J].煤炭技術(shù)，2014，33（4）：73-76．

[5] 孫志勇，馮彥軍，郭相平.鳳凰山煤礦堅硬頂板定向水力壓裂技術(shù)應用研究[J].中國礦業(yè)，2014，23（11）：108-110.

[6]馮彥軍.水力壓裂技術(shù)在煤礦堅硬頂板控制中的應用[J].煤礦支護，2014（1）：4-7.

（編輯：武曉平）

Application of Directional Hydraulic Fracturing in Weakening of Hard Roof in Mines

ZHANG Xiangyang
(Gushuyuan Mine,Jincheng Coal Group,Jincheng 048000,China)

Taking the hard roof of No.153303 working face in Gushuyuan Mine as engineering background,the paper studies the geomechanics parameters of the hard roof to design the directional hydraulic fracturing.By monitoring the weighting distance and working resistance of hydraulic support in the process of roadway driving,the fracturing effect was evaluated.Besides,it was compared with the deep-hole pre-splitting blasting.The results show that the directional hydraulic fracturing technology could weaken the hard roof rock and make the roof falling in time,with small resistance and ideal roof control effect.Compared with blasting roof control technology,the directional method could reduce the completeness and strength of the hard roof rock,with fewer weighting distance and working resistance,as well as better roof control effects.The technology is worthy to be popularized with benefits,such as high safety,lowcost,fast construction,and strongadaptability,.

hard roof;directional hydraulic fracturing;weighting distance;working resistance of hydraulic support

TD327.2

A

1672-5050（2016）04-034-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.08.010

2016-03-19

張向陽（1971-），男，山西晉城人，大學本科，工程師，從事煤礦生產(chǎn)管理工作。