綜放工作面初采水力壓裂放頂技術研究

周晉碧,張紅軍

(晉城煤業集團,山西 晉城 048000)

對回采工作面初采期間采空區懸頂的處理方法,以往煤礦基本是采用切眼頂板退錨(索)與中深孔爆破強制放頂的方法,操作安全性較差,放頂效果也難以控制。水力壓裂技術自提出以來,已在石油、天然氣及地面瓦斯抽采等領域廣泛利用,在煤礦堅硬頂板預裂控制方面也取得了積極進展[1]。在回采工作面超前壓力區前方,通過高壓水力壓裂破壞堅硬頂板完整性,軟化降低頂板固有強度,使采空區頂板隨采隨落,縮短工作面周期來壓步距,降低周期來壓強度,在很大程度上削弱了周期來壓對工作面支架的沖擊,煤壁片幫垮落現象也得到很好控制[2]。

1 工程技術概況

晉煤集團趙莊二號井井田面積13.426 km2,設計生產能力120萬t,批準開采3#煤層,煤層平均厚度4.26 m。礦井采用綜采放頂煤、全部垮落法回采工藝。回采工作面順槽及切眼均沿3#煤層頂板布置。工作面直接頂為0.9 m的泥巖,強度為36.97 MPa,

薄層狀,均勻層理;1.8 m的粉砂巖,強度79.29 MPa。基本頂以粉-細砂巖和細砂巖為主,平均強度在100 MPa左右。頂板巖層中普遍存在較多的夾層和裂隙,局部存在不同巖性的混層情況。巷道頂底板巖層賦存特征如圖1所示。

圖1 巷道頂底板巖層綜合柱狀圖Fig.1 Stratum histogram of roof and floor

2305綜放工作面初采期間頂板堅硬不易垮落,盡管也采用了退錨和中深孔爆破放頂措施,但頂板冒落的矸石難以充填滿采空區,導致初采期間采空區后方懸頂面積很大,瓦斯積聚,造成初次來壓步距長、強度大、通風瓦斯難以管控,曾出現過基本頂大面積垮落,進風順槽風流逆轉現象,給安全生產造成重大隱患。因此,引進水力壓裂技術對趙莊二號井綜放面初采頂板控制具有非常重要的意義。

2 工作面地質調查

2305綜采放頂煤工作面,設計走向長594.4 m。受構造影響,設計分兩個階段開采,一階段切眼傾斜長110 m,二階段切眼傾斜長160 m。工作面煤層厚度 3.4～5.7 m,平均 4.4 m；煤層傾角為0°～7°,平均傾角3°；工作面埋深484.81～519.85 m,平均500 m左右；切眼掘進斷面7.4 m×3.2 m,掘進面積23.68 m2。在2305切眼進行了鉆孔窺視,以8號鉆孔為例(見圖2),窺視深度41.6 m,從窺視結果來看，巷道頂板在0～1 m范圍內裂隙較為發育,其余地段裂隙相對較少。針對趙莊二號井的實際情況及2305工作面切眼頂板性質,經過研究決定采用水力壓裂處理工作面切眼頂板。

圖2 8號鉆孔窺視圖(鉆孔深度/m)Fig.2 No. 8 borehole image

3 壓裂方案設計

3.1 水力壓裂技術原理

水力壓裂技術是利用特殊的開槽鉆頭在普通頂板鉆孔中形成預制橫向切槽,然后對橫向切槽段封孔,注入高壓水,利用高壓水在切縫端部產生的集中拉應力使裂隙在頂板巖層中擴展,預制擴延裂縫,從而削弱頂板的強度和整體性,將完整而堅硬的頂板巖層分割成多層[3-5]。伴隨著回采推進,頂板由整層的一次性垮落轉化為分層分次依次垮落,縮短初次來壓步距,降低初次來壓強度,達到減小或消除堅硬難垮頂板對工作面回采危害的目的,保證回采安全。

3.2 參數選取

根據2305 綜采放頂煤工作面切眼沿頂留底布置特點,對照工作面地質綜合柱狀圖進行理論計算,分析該工作面頂板的運移狀態,確定上位老頂回轉變形巖梁的位置。

根據下列公式計算進入裂隙帶的老頂巖層:

將2305工作面相關數據代入上述公式,可得出第3層老頂巖梁,即12.62 m粉砂巖為巖層裂隙帶巖層,其下巖層為冒落帶巖層。最終確定壓裂鉆孔垂深應達到第3層老頂巖梁以上。

3.3 方案設計

2305工作面一階段切眼凈寬度7.2 m,凈高度3 m,長度為110 m,為保證切頂卸壓壓裂效果,根據煤巖層綜合柱狀圖揭示情況,確定鉆孔垂直深度不小于35 m,鉆孔采用雙側布置,如圖3所示。

3-a 正面圖

3-b 俯視圖圖3 切眼水力壓裂鉆孔布置圖Fig.3 Layout of boreholes of cut-off hydraulic fracturing

工作面側幫壓裂鉆孔垂直巷幫,開孔位置距巷幫1.5～2.0 m,鉆孔直徑75 mm,深孔長度為40 m,傾角為45°～50°。老塘側幫鉆孔在煤柱側頂板開孔,位置距巷幫煤壁1.5～2.0 m,鉆孔長度為40 m,鉆孔直徑75 mm,鉆孔平面投影與巷道軸線方向偏斜5°,仰角角度為75°～80°。鉆孔排距為10 m,預計打設10 個鉆孔。

為保證壓裂效果,鉆孔的壓裂順序為由孔底向外,每3 m 壓裂一次。考慮到切眼支護錨索長度為7.0 m,為防止錨索孔泄壓,壓裂孔口8 m范圍內不進行壓裂,每次壓裂時間不低于20 min。

3.4 施工工藝

3.4.1壓裂鉆孔打設及開槽

鉆孔施工采用ZYJ-1250型架柱式液壓鉆機,鉆頭直徑為75 mm。鉆孔開孔位置選擇頂板相對完整段。先利用普通鉆頭施工至設計開槽位置,然后更換開槽鉆頭在孔底進行開槽。完成開槽后重新換回普通鉆頭繼續鉆進,鉆進至下一開槽位置再進行開槽施工,直至鉆孔施工到設計深度。

3.4.2鉆孔注水壓裂

1)封孔。封孔系統的安裝與連接如圖4所示。

圖4 封孔系統示意圖Fig.4 Schemata diagram of sealing system

2)高壓水力壓裂。高壓注水系統的安裝與連接如圖5所示。

圖5 高壓注水系統示意圖Fig.5 High pressure water injection system

4 井下試驗

4.1 壓裂壓力監測

由于地質條件不同,水力壓裂壓力曲線也會有所變化。現場根據實測曲線對壓裂效果進行診斷、分析和計算。在注水壓裂過程中,監測泵的壓力隨時間變化的情況,如圖6所示。

6-a 壓力曲線(1)

6-b 壓力曲線(2)圖6 壓裂壓力曲線Fig.6 Fracturing pressure curve

有些壓裂在裂縫起裂后,曲線呈現極其緊密的鋸齒狀,表明裂縫每次都以相對較小的尺寸不斷擴展;有些壓裂在裂縫起裂過程中,因巖層的不均勻性或是滲透率不同,泵站壓力有升有降,曲線呈現波浪形。在裂縫擴展過程中還會出現壓力變化劇烈,可能是由于裂縫擴展過程中遇到了原生裂隙或結構面所致。

4.2 工作面垮落情況分析

趙莊二號井1304綜采放頂煤工作面曾委托科研院所進行了礦壓觀測,直接頂初次跨落步距為15.5 m,工作面中部來壓較為明顯。基本頂初次來壓步距平均47.6 m,初次來壓期間整面支架工作阻力頻度分布在3 000～4 000 kN的比例達到75%左右,最大工作阻力4 500 kN；來壓動載系數在1.26～1.91之間,平均1.57。

2305 工作面經高壓水力壓裂后,初采推進至2.4 m,切眼直接頂就全部垮落;初采推進11.5 m左右,支架后基本頂全部垮落。工作面初次來壓步距在8.7～11.5 m左右,平均為10.1 m。基本頂初次垮落期間工作面煤壁比較平直,局部有少量片幫,液壓支架最大工作阻力為4754.84 kN,為額定工作阻力的95.05%;最小工作阻力113.10 kN,為額定阻力的2.26%。來壓期間平均工作阻力為2 562.35 kN,為額定工作阻力的51.25%；初次來壓期間支架動載系數在1.11～1.56之間,平均1.38。與1304工作面初采相比,2305工作面初次來壓步距縮短了78.7%,支架動載系數降低了13.7%。

5 結論

實踐表明,綜放工作面初采采用高壓水力壓裂技術,可以有效地將切眼的上部堅硬基本頂巖層進行壓裂、弱化,在砂巖頂板中形成貫通裂隙,破壞其完整性,降低砂巖固有強度,使基本頂隨直接頂隨采隨落,有效控制工作面初采期間架后懸頂面積,縮短初次來壓步距,降低初次來壓強度,克服初次來壓對工作面液壓支架的沖擊。