定向水力壓裂與深孔爆破預裂初次放頂技術對比

劉 輝,王建文

(陜煤集團神木檸條塔礦業有限公司,陜西 榆林 719300)

定向水力壓裂與深孔爆破預裂初次放頂技術對比

劉 輝,王建文

(陜煤集團神木檸條塔礦業有限公司,陜西 榆林 719300)

針對初采期間采空區大面積瞬間垮落所引起的人員傷亡和設備損壞等問題,以檸條塔煤礦S1201工作面為工程背景,系統地對比分析了定向水力壓裂初次放頂技術與深孔爆破初次放頂技術,得出:與深孔爆破技術相比,定向水力壓裂初次放頂技術安全性高,能縮短初次來壓步距20 m左右,初次放頂直接成本降低11%左右,且增加了礦井有效生產時間,提高了煤炭產量,是一項安全、高效、經濟、綠色的初次放頂技術。

初次放頂;定向水力壓裂;深孔爆破

綜采工作面初采期間,隨著工作面的不斷推進,采空區頂板無法及時垮落,懸頂面積不斷擴大,當采空區大面積瞬間垮落時極易形成颶風和沖擊壓,來壓時有明顯動力現象,常造成支護設備損壞、危及人身安全等惡性事故[1-2]。針對這一問題,國內目前初次放頂主要采用的是以爆破為主,注水軟化為輔的方法,然而該方法存在以下不足:一是工程量和炸藥量大、安全性差、成本高、污染井下空氣,二是干擾回采工序,影響回采進度[3]。

定向水力壓裂技術作為經濟有效的堅硬難垮頂板控制技術已在國內外推廣應用,并在生產實踐中顯示出良好的技術經濟和社會效益[4]。國內已經展開了水力壓裂在煤礦中應用的相關研究,主要有水力壓裂控制堅硬頂板機理及實驗研究,水力壓裂弱化堅硬頂煤、提高煤層透氣性及瓦斯抽采效果等。天地科技股份有限公司在晉城、潞安、神東礦區進行了水力壓裂控制堅硬頂板的推廣應用,結果表明,水力壓裂可有效弱化堅硬頂板、破壞其完整性,削弱頂板的強度和整體性,使采空區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頂板對工作面回采危害的目的[5-8]。

基于以上背景,在陜煤集團神木檸條塔礦業有限公司S1201工作面進行了定向水力壓裂初次放頂技術的研究,并與深孔爆破技術進行了技術經濟比較,提升了該礦的頂板管理水平。

1 檸條塔煤礦深孔爆破初次放頂概況

深孔爆破初次放頂技術是通過打深孔、裝藥、爆破預裂等工藝工程和方法,將煤層頂板進行深孔預裂爆破破壞梁結構,使工作面初采期間提早形成懸臂梁,采空區頂板能夠盡快垮落,進而縮短初次來壓步距,達到減小硬、完整、不易冒落煤層頂板對初采期間工作面危害的目的。

深孔爆破工藝流程:切眼施工深孔→工作面安裝調試推采4 m～5 m→人員進入裝藥→深孔預裂爆破。

檸條塔煤礦深孔爆破初次放頂技術鉆孔布置方式為在切眼內炮眼呈“一”字型布置,施工角度33°,一般共布置50個鉆孔左右,垂深8.7 m～16.4 m,切眼內炮眼中線距離切眼中心線1 m(靠老空側),孔距為4 m～7 m,炮眼采用MYZ-150型全液壓坑道鉆機施工,鉆頭采用Φ85 mm合金鋼鉆頭,成孔直徑Φ90 mm;鉆孔總進尺905 m左右。

深孔爆破初次放頂工程一次綜合費用約35.84萬元,費用明細如表1所示。此外,采用該方法工作面需停產一個圓班(約1萬t產量),且通風影響區域所有工程必須停工16 h左右,干擾了礦井的正常生產。

表1 檸條塔煤礦深孔爆破費用明細Table 1 Cost of deep-hole blasting in Ningtiaota Mine

頂板深孔預裂爆破處理效果:通過對工作面的礦壓觀測,測得工作面的基本頂初次垮落步距平均為93 m左右,端頭垮落(推采35 m左右)不及時易產生颶風。

2 S1201工作面水力壓裂初次放頂

2.1工作面概況

S1201工作面傾斜長295 m，走向長3010 m。切眼附近煤層厚度4.2 m，無偽頂。直接頂板巖性為灰色薄層狀粉砂巖,夾細粒砂巖薄層,水平層理,厚2.82 m～5.04 m，工作面切眼中段掘進揭露有頂板砂巖沖刷體,切割深度約0.6 m,沖刷體均為中粒砂巖。老頂巖性為淺灰色、淺白色細粒石英砂巖,柱狀結構,完整性中等,局部細粒長石砂巖,含白云母,波狀層理,分選性差-中等,次棱角狀,泥鈣質膠結,厚5.40 m～20.63 m。煤層圍巖綜合柱狀見如圖1。

圖1 煤層圍巖綜合額柱狀圖Fig.1 Comprehensive column of surrounding rock of coal seam

2.2定向水力壓裂技術工藝原理和方法

水力壓裂初次放頂技術是通過在鉆孔中開槽、封孔、高壓注水壓裂等工藝過程和方法,在鉆孔壓裂段預制裂縫,控制水力壓裂裂紋擴展方向,達到弱化頂板巖層和應力控制的技術。效果主要表現在壓裂和軟化兩個方面,從而削弱頂板的強度和整體性,隨著工作面不斷推采,使采空區頂板能夠分層分次垮落,進而縮短初次來壓步距,達到減小或消除硬、完整、不易冒落煤層頂板對初采期間工作面危害的目的。

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;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)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。

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 MPa～20 MPa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。

7)完成單孔多次壓裂作業。

預裂縫起裂后水壓會有所下降,繼而進入保壓階段,在這個階段,裂紋擴展的同時伴隨著新裂紋的產生,利用流量計監測流量及注入的水量,保證頂板巖層充分弱化和軟化。壓裂過程中觀測壓裂孔周圍頂板出水情況,壓裂時間一般不少于30 min。

2.3水力壓裂鉆孔布置

根據水力壓裂理論、最大拉應力準則及檸條塔煤礦S1201工作面切眼頂板巖層結構、巖層厚度、巖性及采高,確定壓裂鉆孔布置見圖2。

圖2 S1201工作面壓裂鉆孔布置參數Fig.2 Fracturing drilling distribution parameters of S1201 working face

1)在切眼布置壓裂鉆孔L(L1-L12,共12個)和壓裂鉆孔S(S1-S11,共11個),垂直煤壁布置。

2)在順槽布置壓裂鉆孔S(S12-S15共4個),與巷道軸向夾角為45°,鉆孔指向切眼方向。

3)在順槽分別布置1個B孔和1個A孔,B孔與巷道軸向夾角為30°,A孔與巷道軸向夾角為3°,鉆孔均指向切眼方向。

4)鉆孔進尺總計:435 m(15個S孔)+360 m(12個L孔)+94 m(2個B孔)+84 m(2個A孔)=973 m。

鉆孔參數如下:a.壓裂鉆孔S,鉆孔長度29 m,傾角為45°;b.壓裂鉆孔L,鉆孔長度30 m,傾角為30°;c.壓裂鉆孔B,鉆孔長度47 m,傾角為19°;d.壓裂鉆孔A,鉆孔長度42 m,傾角為19°。

鉆孔施工順序為:首先進行壓裂孔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,最后施工A孔。壓裂鉆孔B是在工作面回采后頂板無法及時垮落時壓裂。

2.4定向水力壓裂初次放頂效果

S1201工作面于8月20日形成,確定采用定向水力壓裂技術后,8月22日開始施工,9月15日水力壓裂工作完成。工作面于10月8日開始推采,工作面推采約13 m采空區開始垮落;推采約16 m時開始出現連續性分層垮落;推采20 m時,機頭、機尾垮落,剩余中部80-110架未充分垮落;推采約40 m時,采空區基本落實;工作面再推采50 m時,采空區出現較大響聲,有頂板垮落現象,并伴有不同程度的颶風現象,壓力無明顯變化,工作面煤墻出現少量偏幫;工作面推采約76 m時,支架安全閥大量開啟,工作面偏幫嚴重,地面塌陷。

3 兩種技術對比分析

根據檸條塔礦業有限公司S1201工作面定向水力壓裂初次放頂技術的應用效果,現對定向水力壓裂與深孔爆破初次放頂技術從以下幾方面進行對比分析。

3.1作用機理

兩種技術均是對煤層頂板穩定性和整體性進行破壞而縮短初次來壓步距,達到減小或消除硬、完整、不易冒落煤層頂板對初采期間工作面危害的目的，均可達到有效地解決初采期間隨著工作面的不斷推采,形成采空區懸頂面積不斷擴大,當采空區大面積瞬間垮落時極易形成颶風和沖擊壓,造成人員傷亡和設備損壞等一系列焦點問題。

3.2工藝過程

兩種技術均要進行打孔施工,但具體的工藝過程和施工方法不同。

與爆破預裂放頂技術相比,水力壓裂初次放頂技術在工藝原理和施工方法方面的優點為:

1)做到了就地取材,利用高壓水進行預裂頂板,減少礦井炸藥和雷管使用量。

2)巖層強度和完整性的弱化范圍較大,可達20 m ～40 m,初次垮落步距較小,隨采隨落,端頭垮落及時不易產生颶風,小于深孔預裂爆破處理結果,減少設備損壞、增加礦井塊煤率。

3)可以有效控制和轉移圍巖賦存的高應力。

4)不使用炸藥和雷管,工序銜接環節少,使用人員少,安全性較為突出。

5)不干擾工作面正常生產及周邊工程正常施工。

6)降低了工人勞動強度和改善作業環境。

7)不會產生污染井下空氣的有毒氣體。

8)可適用于多種條件,如高瓦斯礦井。

與爆破預裂放頂技術相比,水力壓裂初次放頂技術在工藝原理和施工方法方面的缺點為。

1)目前開槽可保證近場定向,無法實現遠場定向。

2)工程質量考核不能直觀反應,施工期間均以經驗判斷施工效果和質量情況。

3)裂縫擴展形態有待深入研究;

4)地質構造和自然裂隙對壓裂的影響有待深入研究。

3.3技術效果

頂板深孔預裂爆破處理效果:通過對工作面的礦壓觀測,測得工作面的基本頂初次垮落步距平均為93 m左右,端頭垮落(推采35 m左右)不及時易產生颶風。

頂板水力壓裂處理效果:通過對工作面的礦壓觀測,測得工作面的基本頂初次垮落步距為76 m左右,初次垮落步距較小,隨采隨落,端頭垮落及時(推采20 m左右)不易產生颶風,小于深孔預裂爆破處理結果。

3.4經濟效益分析

直接經濟效益:檸條塔礦業有限公司采用深孔爆破初次放頂技術的工程費用為35.8萬元左右,而定向水力壓裂技術的工程造價為31.8萬元左右,節約成本11%左右。

間接經濟效益:采用深孔爆破技術工作面需停產一個圓班(約1萬t產量),且通風影響區域所有工程必須停工16 h左右,干擾了礦井的正常生產;而采用定向水力壓裂技術則不存在這些問題,增加了礦井的有效生產時間,提高了煤炭產量,間接經濟效益顯著。

4 結論

1)定向水力壓裂技術在檸條塔礦業有限公司S1201工作面成功應用,結果表明,與深孔爆破技術相比,定向水力壓裂技術對于頂板的控制有其獨特的優勢和特點,有效促進工作面頂板及時垮落,減小了初次來壓和周期來壓步距,減小了工作面來壓對工作面的影響,顯著提升了堅硬難垮頂板的管理水平,由此產生了顯著的經濟社會效益,是一項安全、高效、經濟、綠色的初次放頂技術。

2) 針對工作面初采期間推采0 m～90 m范圍內,工作面煤塵大,工作面煤壁較硬,煤機截割功率較大,煤機行走速度慢,工作面產量較低,設備故障率高等一系列問題,可采用水力壓裂技術將工作面初采期間0 m～90 m煤墻進行全面預裂軟化進行工業性試驗,解決上述一系列問題和不安全因素。

[1] 陳炎光,錢鳴高.中國煤礦采場圍巖控制[M].徐州:中國礦業大學出版社，1994.

[2] 靳鐘銘,徐林生.煤礦堅硬頂板控制[M].北京:煤炭工業出版社，1994.

[3] 史元偉,寧宇,魏景云.采煤工作面圍巖控制原理和技術(下)[M].徐州:中國礦業大學出版社，2003.

[4] 姜瑞忠，蔣廷學，汪永利.水力壓裂技術的近期發展及展望[J].石油鉆采工藝，2004，26(4):52-57.

[5] 閆少宏，寧宇，康立軍,等.用水力壓裂處理堅硬頂板的機理及實驗研究[J].煤炭學報，2000，25(1):32-35.

YAN Shaohong，NING Yu，KANG Lijun，etal.The Mechanism of Hydrobreakage to Control Hard Roof and Its Test Study [J].Journal of China Coal Society，2000，25(1):32-35.

[6] 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應用研究[J].中國礦業，2014(11):108-110.

SUN Zhiyong,FENG Yanjun，GUO Xiangping.Application of Hard and Stable Roof Control by Means of Directional Hydraulic Fracturing in Fenghuangshan Coal Mine [J].China Mining Magazine，2014(11):108-110.

[7] 孫連勝，齊海清，馮彥軍,等.水力壓裂技術在錦界煤礦初次放頂中的應用[J].煤礦開采，2015(6):97-100.

SUN Liansheng,QI Haiqing,FENG Yanjun，etal.Application of Hydraulic Fracturing in First Caving of Jinjie Coal Mine [J].Coal Mining Technology，2015(6):97-100.

[8] 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.

FENG Yanjun,KANG Hongpu.Test on Hard and Stable Roof Control by Means of Directional Hydraulic Fracturing in Coal Mine [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012，31(6):1148-1155.

ComparativeAnalysisofFirstRoofCavingBetweenDirectionalHydraulicFracturingandDeep-holePre-blasting

LIUHui,WANGJianwen

(ShenmuNingtiaotaMiningCo.，Ltd.，ShaanxiCoalandChemicalIndustryGroup，Yulin719300，China)

In the initial mining period，the sudden and large collapse of goaf could cause casualties and equipment damage.Taking No.S1201 working face in Ningtiaota as engineering background，the study compares the first roof caving of directional hydraulic fracturing and deep-hole blasting.The results show that，compared with the deep-hole blasting，the directional hydraulic fracturing is safer.It could reduce the weighting interval by 20 meters or so，cut the cost about 11%，and increase effective production time and coal production，which is safe，efficient，economical and green.

first roof caving; directional hydraulic fracturing; deep-hole blasting

1672-5050(2017)02-0046-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.04.013

2016-12-19

劉輝(1985-),男,陜西西安人,本科,工程師,從事煤礦開采、礦壓管理工作。

TD235.37

A

(編輯:楊 鵬)