水力壓裂技術在保德煤礦初次放頂的應用

翁海龍

(神東煤炭集團公司保德煤礦，山西 保德 036600)

0 引言

中國神華能源股份有限公司保德煤礦位于山西省忻州市保德縣境內，井田東西寬5.7 km，南北長14 km，面積約55.9 km2。地處黃河東岸，河東煤田的北部，屬黃土高原晉西北邊緣，晉北大型煤炭基地河保偏礦區。目前回采8#煤層，該煤層以礦井康孫大巷(+720～+760 m標高的水平大巷)、8#煤層主、輔運大巷及五盤區主、輔運大巷為分界，把井田劃分為一、二、三、五，共4個盤區。

三盤區靠井田南側邊界段受古河流沖刷影響。此次研究的81307綜放面切眼至1 583 m處回采段發育有古河流沖刷帶，由工作面中段到切眼為11 m厚的含礫粗砂巖，頂板堅硬。相鄰81306綜放面在初采期間，采取切眼深孔欲裂爆破強制放頂實施后，老頂初次來壓步距仍然達50 m。

初采期間如不采取初放措施，會造成采空區大面積懸頂，易造成頂板大面積垮落，從而形成沖擊，導致設備損壞、人員受傷等惡性事故[1-3]。初采期間頂板管理成為礦井安全重要管理環節之一。

81307工作面煤層結構復雜，宏觀煤巖類型以半亮-半暗煤為主。煤層平均厚度約為6.8 m，煤層厚度總體呈回撤通道向切眼方向逐漸變薄的趨勢，工作面傾向長度為240 m。圖1為81307工作面煤層柱狀圖。

圖1 81307工作面煤層柱狀圖

1 水力壓裂技術及對比

1.1 技術工藝

來壓控制：堅硬難垮頂板水力壓裂技術包括初次來壓及周期來壓控制。初次來壓控制技術是在工作面切眼形成之后，在工作面支架、刮板輸送機及采煤機等采煤設備安裝之前，對工作面頂板實施水力壓裂作業，在回采之前預先弱化頂板巖層，待工作面回采后頂板巖層可自行及時垮落，保證初采安全。

施工工藝過程：圍巖強度測試、鉆孔結構窺視、地質資料調查、理論分析計算→鉆孔布置初始設計→鉆孔施工→鉆孔窺視+圍巖強度測試→鉆孔開槽→單孔跨式鉆孔分隔封孔多次分段壓裂。

1.2 與爆破對比的技術優勢

與爆破法相比，具有以下優勢，①可提前施工，施工后可使工作面頂板初采過程中分層、分次逐步垮落，確保工作面初采安全，采空區垮落充填及時；②免去了人工裝火工品類藥、連線爆破環節，施工期間工作面切眼未安裝有設備。勞動強度底、操作安全性大幅提高；③水力壓裂是一項安全、綠色的煤巖體弱化技術，用來取代爆破技術，避免因爆破而強制放頂產生的震動對工作面人員和設備構成威脅，杜絕了回采工作面回風系統一氧化碳(瞬間飆升至0.002%)等有毒有害氣體的影響；④杜絕了因施工工作面切眼頂板初次放頂，而導致工作面停產等待，影響正常生產。

2 設計原則與施工方案

2.1 設計原則

水力壓裂技術可有效控制工作面頂板的垮落，最大程度削弱頂板的整體性，使得采空區頂板實現分層、分段垮落[4-6]。水力壓裂技術有效控制頂板的同時，要避免由于過度壓裂和軟化導致工作面頂板維護、巷道支護帶來困難，避免其它可能的災害。

81307工作面切眼老頂厚度較大，穩定性好、整體性強，初采期間需采取強制放頂的相關措施。此次研究根據煤層厚度、頂板巖層厚度，頂板巖層結構、施工地點圍巖環境。結合頂板巖層地應力場及巖層強度，由下式可計算裂縫起裂壓力Pb

Pb=3σmin-σmax+σt

(1)

其中：鉆孔角度及長度根據堅硬巖層厚度、工作面長度確定。

2.2 切眼水力壓裂鉆孔布置設計

工作面切眼水力壓裂鉆孔布置如圖2所示。鉆孔采用φ56 mm鉆頭進行鉆進。

經驗算，需施工鉆孔進尺總計468 m(13個L孔)+684 m(19個S孔)+200 m(4個A孔)=1 352 m。

鉆孔：①壓裂鉆孔-L，孔長36 m，傾角30°；②壓裂鉆孔-S，孔長36 m，傾角50°；③壓裂鉆孔-A，孔長50 m，傾角25°(備用孔)。

鉆孔施工順序：①先進行壓裂鉆孔-L的鉆進和壓裂作業；②待壓裂鉆孔-L的壓裂工作全部結束后，再進行壓裂鉆孔-S施工和壓裂作業；③先施工切眼前部鉆孔，待壓裂作業完成后，再施工兩順槽鉆孔；④最后施工備用A孔，該孔是為防止工作面上下三角區頂板初采期間冒落不及時提前施工預留的。鉆孔過程中，鉆機操作員記錄鉆孔堅硬巖層段及位置。

3 水力壓裂控頂工藝及過程

3.1 水力壓裂控制煤礦堅硬難垮頂板工藝過程

壓裂控頂工藝，①利用普通φ56 mm鉆頭，按照工作面切眼水力壓裂鉆孔布置方案設計進行施工。在鉆進至堅硬巖層需要壓裂段后停止鉆進；②將普通鉆頭換為可預制橫向切槽的特殊專用鉆頭，在水力壓裂段可預制橫向切槽，如圖3(b)所示。此次由于81307工作面切眼段頂板巖層強度不是很高，可不實施開槽作業；③退出專用橫向切槽鉆頭，利用普通φ56 mm鉆頭繼續在鉆孔中鉆進一段距離(跨式鉆孔分隔封孔器一半的長度65 cm)，為壓裂段塞入跨式鉆孔分隔封孔器提供空間，如圖3(c)所示；④將垮式鉆孔封隔器連接在注水管一側管口上，并依次加接注水管推進至水力壓裂段，如圖3(d)所示；⑤利用手動泵為跨式鉆孔分隔封孔器加壓使膠筒膨脹，達到封孔目的，如圖3(e)；手動泵封孔所需壓力一般為15～20 MPa左右；⑥將高壓泵與注水管另一側管口連接，開啟高壓泵直至壓裂完成，如圖3(f)所示。

3.2 具體的施工工藝

安裝、連接、檢查、調試工作結束后，連接注水鋼管將跨式鉆孔分隔器推送至預定位置(預裂縫處)，封孔、注水壓裂采用倒退式進行壓裂，即從鉆孔底部開槽處向孔口，每間隔3 m壓裂一次(根據現場情況可適當調整)，依次進行壓裂，根據81307工作面切眼地質條件，最后一次壓裂位置距離孔口要保證在5 m以上，防止切頂太近，發生架前漏頂事故。

手動泵加壓跨式鉆孔分隔封孔器，待壓力達到15～20 MPa后停止加壓，觀察鉆孔并監測壓力表，檢驗跨式鉆孔分隔封孔器能否保壓，若鉆孔中有水流出或壓力下降明顯，說明封孔失效。泄壓后檢查跨式鉆孔分隔封孔器各個連接處及跨式鉆孔分隔封孔器本身，找出并解決問題，確保封孔器正常工作距離壓裂孔孔口，以半徑20 m設置警戒，壓裂鉆孔打壓期間禁止人員靠近，操作人員以及作業設備距離壓裂孔的距離也應在20 m以上，且位于支護完整、通風可靠的安全地點。

給高壓注水泵先通水后通電，然后緩慢增加壓力，同時記錄水泵壓力表以及手動泵壓力表數據，繼續提高高壓注水泵壓力，直至預裂縫開裂，這時壓力會突然下降，保壓注水使裂縫繼續擴展，保壓注水壓裂時間根據現場壓裂情況確定，前三處壓裂時間一般不少于30 min，后幾處一般不少于20 min，沿與裂縫方向形成橫向裂紋。若巷道頂板，煤幫或鉆孔中有大量水冒出時，立即停高壓注水泵，停止壓裂，分析原因。

壓裂結束后，高壓水泵先斷電后停水，將跨式鉆孔分隔封孔器進行泄壓，然后將跨式鉆孔分隔封孔器和注水連接鋼管全部退出鉆孔，利用防爆鉆孔窺視儀觀察壓裂裂縫，判斷壓裂效果。

圖3 水力壓裂控制堅硬頂板巖層示意圖

3.3 水力壓裂效果監測

水力壓裂效果的監測方法:①可采用物探的監測方法，如地質雷達、瞬變電磁等方法，成本較高；②可采用簡單宏觀觀測法，在壓裂孔周圍布置觀測孔，壓裂過程中如果觀測孔有水冒出，可大致確定壓裂的范圍，同時還在觀測孔中通過窺視儀觀測壓裂后裂紋的方向；③可在回采過程中進行全面、系統的礦壓監測，包括頂板位移與離層、支架受力狀況、頂板來壓步距，巷道圍巖位移、支護體受力，通過處理與分析礦壓監測數據，評價水力壓裂控制頂板的效果。

瞬變電磁法探測：對工作面施工預裂孔區域進行探測，探測角度為沿頂板方向仰角30°與仰角50°；對工作面反方向未施工預裂孔區域進行了探測，探測角度為沿頂板方向仰角45°，探測成果如圖4所示。①解釋成果示意圖中，藍綠色區域表示視電阻率低阻異常區(相對賦水區)，磚紅色表示相對高阻區(弱賦水區或不賦水區)，其它顏色表示過渡區。橫坐標零點位置即為81307膠運切眼開口處所在的位置，橫坐標240 m處即為81307一回切眼開口處所在的位置；縱坐標為頂板上方位置；②向工作面方向探測頂板30°、頂板60°視電阻率總體較大，在縱向上由高到低，無明顯異常；向工作面反方向探測頂板45°視電阻率較上倆組數值偏小，總體變化不大，也無明顯異常。由于物探異常具有相對性與多解性，未確定頂板上方水預裂的效果，建議結合地質、鉆探資料進一步分析。

圖4 瞬變電磁探測成果圖

采用窺視儀觀測：對3種不同角度(L3-30°、S5-50°、A1-25°)的預裂孔進行了鉆孔窺視，查看孔壁裂隙分布情況，如圖5所示。

圖5 鉆孔窺視孔壁裂隙

通過鉆孔窺視觀測，鉆孔孔壁局部被壓裂段明顯有裂痕。L3-30°鉆孔看到以上形態裂隙4處、S5-50°鉆孔看到以上形態裂隙5處，25°鉆孔看到以上形態裂隙2處，所有鉆孔泥巖段均為發現裂隙。從鉆孔窺視效果看，整個鉆孔揭露巖層段裂隙并不發育，可能因后期裂隙內水分釋放的閉合有關。

壓裂曲線分析：現場切眼頂板鉆孔在壓裂過程中，壓裂位置距離孔口大于20 m，當水壓上升至10 MPa左右時，壓裂鉆孔距孔口直徑5 m范圍內，頂板錨索開始淋水，附近間隔10 m的鉆孔出水量較大，說明水力裂縫擴展半徑至少可達10 m，從孔底到孔口壓裂過程中，壓裂30 min左右時，均有淋水，說明頂板巖體強度不是很大，且存在大量的原生裂隙或采動裂隙，在水的壓力下，大量裂隙擴展、壓裂貫通，形成弱化帶。壓裂時，最大的壓裂峰值為15 MPa左右；水壓主要集中在8～9 MPa區間波動，如圖6所示。

圖6 利用水壓儀記錄的壓裂曲線

從圖6可以看出在水壓大于巖石抗拉強度后，該處出現裂紋，并沿著一定的方向向周邊擴展，形成一定的擴散半徑，產生弱化帶。出現水壓波動較大時，可以判定該區間巖層相對均質，波動較大處為壓裂裂紋于巖層中存在的原生裂隙或采動裂隙貫通所致。從孔底至孔口壓裂過程中，壓力逐漸下降，符合壓裂規律，從巖體深層到巖體表面，巖體逐漸破碎，強度逐漸下降。

4 施工應用效果

4.1 現場效果

81307綜放面推進22 m(機頭23.5 m、機尾20 m)，工作面76#～80#架采空區側基本頂出現局部分層垮落，為實現基本頂更早的垮落，在工作面推進至35 m處時，上順槽預留的A4孔受到壓力，促使進風順槽側采空區頂板盡快垮落，經施工，該段頂板再次被壓裂、弱化，頂板出現零星巖石冒落。隨著工作面推進至73 m處工作面基本頂大面積垮落，頂板初次來壓。垮落過程為基本頂首先從工作面中部向兩側擴展。垮落特點為分層分次逐步垮落，未形成沖擊壓力現象，但垮落過程中膠運側順槽出現較快速的氣流吹出，使靠近工作面巷幫掛設的圖牌板吹落。

結合支架受力變化監測結果，工作面初次來壓距離為73 m，在工作面回采過程中，支架受力波動不大，頂板初次來壓期間，支架立柱顯示最大壓力為49.3 MPa。

4.2 礦壓觀測

利用81307綜放面液壓支架上配套的PM32上顯示的支架實時工作阻力，在工作面初采期間，按照礦壓觀測方案，工作面每推進一個循環，要對頂板垮落、支架受力情況進行一次記錄。

根據所記錄、測量數據，利用Excel表格生81307綜放面初采期間頂板壓力三維曲面圖，如圖7所示。

由圖7看出，當工作面推進至22 m處時，靠工作面中部，頂板垮落，導致壓力升高；當工作面推進至73 m時，頂板大面積垮落，基本頂初次來壓，導致工作面大面積來壓，支架壓力升高，持續8刀后，壓力降低，采空區垮落充填較好。

5 結論

(1)此次研究的81307綜放面切眼頂板水力壓裂期間，水壓分布范圍在6～15 MPa，多集中在8～9 MPa，水流量約80 L/min。水壓的大小取決于原巖應力的大小和方向、壓裂位置、巖體的滲透性、原生裂隙的發育情況等。鉆孔深部受采動影響較小，圍巖應力(地應力)未釋放，圍巖整體性較好，導致出現較高的水壓。反之，在距離鉆孔孔口位置，水壓較小。

(2)根據壓裂現場錨索、頂板漏水情況，可推測81307綜放面切眼頂板巖層強度不是很大，完整性一般，存在較多的原生裂隙或采動裂隙。其老頂壓裂半徑約為10 m，較好的形成了弱化帶。通過81307工作面回采期間監測記錄，工作面推進22 m左右采空區頂板出現大范圍垮落，推進73 m左右工作面支架壓力明顯升高，頂板初次來壓。為類似條件礦井推廣應用提供了試驗基礎、借鑒價值。

圖7 81307綜放面初采期間頂板壓力三維曲面圖

(3)與深孔欲裂爆破相比，水力壓裂應用在工作面初采強制放頂應用具有施工速度快，安全管理難度低，尤其是對類似保德煤礦提前掘出接續工作面切眼的礦井，可提前進行施工，不影響正常生產。且頂板能夠分層分次及時垮落，結合此次施工效果經驗，下次還需對施工設計進行修改，同時要考慮處理距離基本頂較近，厚度較大的硬巖。