頂板巖體水力壓裂工藝在華陽煤業(yè)的應(yīng)用

王文國 牛 毅

（山西煤炭運銷集團華陽煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048017）

華陽煤業(yè)為新建礦井，首個綜采工作面設(shè)計在15 號煤層，15 號煤層的頂板為K2 石灰?guī)r，該巖層賦存穩(wěn)定，厚度較大，硬度高，給回采后頂板垮落造成困難。華陽煤業(yè)采用頂板巖體水力壓裂工藝控制頂板，總結(jié)出了可行的方法。

1 15 號煤層綜采工作面概況

1.1 煤層及頂?shù)装鍘r性

1.2 巷道布置

15101 綜采工作面采用“U”型通風(fēng)系統(tǒng)，兩順槽平行布置，掘進方位角359°，切眼垂直于順槽，沿89°方位角施工。運輸順槽巷道長度1050m，斷面為矩形，凈寬4.6m×凈高3m；回風(fēng)順槽巷道長度980m，斷面為矩形，凈寬4m×凈高3m；切眼巷道長度150m，斷面為矩形，凈8m×凈高3m。巷道采用錨桿、錨索、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護。如圖1 所示。

2 水力壓裂理論依據(jù)

水力壓裂原理就是利用高壓水泵，通過設(shè)計鉆孔向預(yù)破裂巖層擠注壓裂液。當注入壓裂液的速度超過巖層的吸收能力時，則在鉆孔周圍巖層上形成很高的壓力，當這種壓力超過巖石的破裂壓力時，巖層將被壓開并產(chǎn)生裂縫。這時，繼續(xù)不停地向巖層擠注壓裂液，裂縫就會繼續(xù)向巖層內(nèi)部擴張，在巖層中留下一條或多條長、寬、高不等的裂縫，進而形成裂縫網(wǎng)，破壞頂板巖體的完整性，促使初次來壓期間的頂板盡早垮落。

圖1 15 號煤柱狀圖

3 水力壓裂鉆孔設(shè)計高度

15 號煤水力壓裂層位：根據(jù)15 號煤綜合柱狀圖及鉆孔窺視，煤層頂板垂高14m 處有一層13 號煤，考慮最大程度削弱直接頂（0 ～10m）的整體性，在5 ～17m 之間的巖層進行壓裂較適宜。此高度的確定，完全滿足冒落矸石充滿采空區(qū)（冒落巖石松散系數(shù)取1.3），對上覆巖層起到支撐、墊層的作用，同時破壞了老頂?shù)耐暾裕股细矌r層及時垮落，有效減弱周期垮落沖擊強度。

4 水力壓裂鉆孔設(shè)計

4.1 15 號煤15101 工作面切眼壓裂鉆孔設(shè)計

圖2 切眼壓裂鉆孔設(shè)計圖

切眼內(nèi)共布設(shè)鉆孔22 個，根據(jù)鉆孔位置、方位、深度不同，分為三類。

第一類為壓裂鉆孔-H 所示，共七個孔，鉆孔長度為25m，傾角為45°，垂深18m，間距20m，布設(shè)在切眼內(nèi)靠老空側(cè)約1.5m 位置開口。第一孔距離回風(fēng)順槽5m，開孔方位89°；第二、第三、第四孔與第一孔間距分別為20m、40m、60m，其他要素不變；第五、第六、第七孔在切眼內(nèi)與第一、第二、第三孔對稱布設(shè)，即方位角變?yōu)?69°，其他要素不變。

第二類鉆孔為壓裂鉆孔-S 所示，共七個孔，鉆孔長度25m，傾角為45°，方位角179°，垂深18m，間距20m，鉆孔開口位置在切眼內(nèi)工作面?zhèn)染o靠煤幫的頂板上。第一孔距離運輸順槽15m，然后依次相距20m 布置第二、第三、第三……第七孔。

第三類鉆孔為壓裂鉆孔-L 所示，共八個孔，鉆孔長度33m，傾角為30°，方位角179°，垂深17m，間距20m，鉆孔開口位置在切眼內(nèi)工作面?zhèn)染o靠煤幫的頂板上。第一孔距離運輸順槽5m，然后依次相距20m 布置第二、第三、第三……第八孔。

江蘇省在重點水利工程建設(shè)中均實行了行業(yè)主管部門、地區(qū)主管行政領(lǐng)導(dǎo)責任人終身對工程質(zhì)量負責的制度；專職機構(gòu)和專職人員負責質(zhì)量管理工作，監(jiān)理單位通過書面文件、駐地監(jiān)督、實驗測算、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集等方式，并與工程資金發(fā)放相結(jié)合的方法嚴格控制工程質(zhì)量；參建單位推行全面質(zhì)量管理，采用先進的質(zhì)量管理模式和管理手段，嚴格施工現(xiàn)場質(zhì)量監(jiān)督管理。

4.2 15 號煤兩順槽壓裂鉆孔設(shè)計

兩順槽鉆孔對稱布設(shè)，初采期間共設(shè)計鉆孔40個。以運輸順槽為例，在運輸順槽內(nèi)共布設(shè)鉆孔20個，根據(jù)鉆孔位置、方位、深度等不同，分為三類。如圖3 所示。

第一類為壓裂鉆孔-H 所示，共十一個孔，鉆孔長度為25m，傾角為45°，垂深18m，間距10m，布設(shè)在運輸順槽內(nèi)距離煤柱側(cè)幫部1m 位置開口。第一孔與工作面煤幫在同一直線上，開孔方位179°，然后在順槽內(nèi)依次布設(shè)第二、第三……第十一孔，其他要素不變。

第二類鉆孔為壓裂鉆孔-S 所示，共四個孔，鉆孔長度25m，傾角為45°，方位角269°，垂深18m，間距20m，鉆孔開口位置在運輸順槽內(nèi)工作面?zhèn)染o靠煤幫的頂板上。第一孔距離切眼煤幫30m，然后在順槽內(nèi)依次相距20m 布置第二、第三、第三、第四孔，其他要素不變。

第三類鉆孔為壓裂鉆孔-L 所示，共五個孔，鉆孔長度36m，傾角為30°，方位角269°，垂深18m，間距20m，鉆孔開口位置在運輸順槽內(nèi)工作面?zhèn)染o靠煤幫的頂板上。第一孔距離切眼煤幫20m，然后在順槽內(nèi)依次相距20m 布置第二、第三、第三、第四、第五孔，其他要素不變。

圖3 兩順槽壓裂鉆孔設(shè)計圖

5 水力壓裂施工工藝

5.1 工藝流程

施工鉆孔—鉆孔窺視—鉆孔開槽、封孔—注水壓裂 （單孔多次）

（1）施工鉆孔

由測量人員按照每個鉆孔設(shè)計圖紙，確定鉆孔開口位置，在施工現(xiàn)場提前標定。根據(jù)巷道掘進導(dǎo)線點用全站儀測出方位角，用地質(zhì)羅盤確定傾角，根據(jù)鉆桿長度，確定鉆入孔深，使用ZDY420 型架柱式液壓鉆機分別施工水力壓裂鉆孔，鉆頭直徑為56mm。

（2）鉆孔窺視

鉆孔鉆進完成后，壓裂前采用鉆孔窺視儀觀察頂板巖層結(jié)構(gòu)，確定壓裂位置。例如15101 切眼內(nèi)第一個鉆孔（靠近回風(fēng)順槽側(cè)），采用YCJ90/360型鉆孔測井分析儀進行窺視成像，該鉆實際鉆進長度為26m，傾角為45°。鉆進13m 時，石灰?guī)r變?yōu)槟鄮r，鉆進21.5m時，揭露13號煤層，其厚度0.5m，而后進入石灰?guī)r直至終孔位置。根據(jù)視頻成像結(jié)合巖層分布綜合考慮，確定在該鉆孔第6m、10m、15m、19m、24m 處分別壓裂。

（3）鉆孔開槽、封孔

采用預(yù)制橫向切槽鉆頭對設(shè)計封隔段開槽，人為用機械方法破壞鉆孔周圍巖層的整體性，弱化巖層強度，為注水通路創(chuàng)造入口條件。開槽深度80mm，開槽后在槽口兩側(cè)安裝封隔器封孔，封隔器對稱布設(shè)，單個封隔段長度控制在300 ～600mm之間。

（4）注水壓裂

將高壓注水泵和注水管連接，對封孔段進行注水壓裂，壓裂過程中，利用水壓儀監(jiān)測泵壓的變化。如圖4 所示。

圖4 高壓注水示意圖

5.2 工藝注意事項

（1）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，一般壓裂次數(shù)根據(jù)孔深控制在5～7 次，每次控制長度3～4m。前三處壓裂時間一般不少于30min，后幾處壓裂時間一般不少于20min。沿裂紋方向形成橫向裂紋，進而形成裂縫網(wǎng)，裂縫擴展半徑約為20～25m。

（2）若巷道頂板、煤幫或鉆孔中有水滲出或冒出時，或壓裂過程無壓力顯現(xiàn)，或壓力始終無法達到一穩(wěn)定數(shù)值，應(yīng)適時停止壓裂，壓裂結(jié)束。壓裂結(jié)束后，對注水鋼管和封孔器泄壓，對不成功壓裂鉆孔，重新設(shè)計，重新施工。

5.3 主要施工機具（見表1）

表1 施工機具表

5.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)

（1）工作面推進16m 直接頂垮落到位，兩周內(nèi)完成初采。15101 工作面推采后，支架后方懸頂長度監(jiān)測數(shù)據(jù)，如表2 所示。

（2）工作面礦壓觀測結(jié)果：直接頂初采來壓步距平均為15.0m，基本頂初采來壓步距平均為30.1m，基本頂周期來壓步距平均為16.5m。

表2 方懸頂長度監(jiān)測數(shù)據(jù)表

6 水力壓裂工藝優(yōu)點

（1）水力壓裂工藝采用高壓水為動力，避免爆破強制放頂產(chǎn)生的震動對工作面人員和設(shè)備構(gòu)成的威脅，相比較爆破作業(yè)安全風(fēng)險明顯降低。

（2）水力壓裂作業(yè)過程影響范圍小，回風(fēng)系統(tǒng)不受一氧化碳等有毒有害氣體影響，無需大面積清理人員、設(shè)置警戒等環(huán)節(jié)。

（3）上下隅角懸頂面積小，便于瓦斯管理。

（4）使頂板分層、分次逐步垮落，確保工作面初采安全，減少了放頂對工作面初采的影響時間。

（5）圍巖強度測試和鉆孔窺視裝備的使用，有效指導(dǎo)設(shè)計、施工，保證了預(yù)裂效果。

7 結(jié) 論

在15101 工作面切眼及進回風(fēng)順槽實施水力壓裂工藝后，頂板分層次有序垮落，采空區(qū)懸頂面積達到了有效控制，有效切頂，保護了兩幫及工作面支護安全。初采期間未發(fā)生過瓦斯超限。在工作面進回風(fēng)順槽水力壓裂實施后，對頂板進行了有效切頂，回采過程中頂板壓力及時釋放，相鄰巷道的底鼓量顯著減小，降低了巷道維護工程量。