水力壓裂技術在工作面初次放頂中的應用

摘 要：近幾年，我國煤礦企業也在嘗試將水力壓裂技術運用到放頂煤工作面初次放頂工作中，之所以選擇水力壓裂技術，是因為水力壓裂技術可以通過鉆孔方式和鉆孔數量來控制頂板垮落的程度和時間，可以有效降低整體頂板同時垮落所造成坍塌事故的發生幾率，保障煤礦初步采集工作面安全生產。同時，水力壓裂技術可以提高煤礦開采總量，提高礦產企業經濟利益，促進我國煤礦行業可持續繁榮發展。本文將對水力壓裂技術在放頂煤工作面初次放頂中的應用進行分析，并舉出實踐案例，希望可以被相關部門人員所采納。

關鍵詞：水泵壓裂技術;初次放頂;安全隱患;作業條件;檢測方法;頂板防護

0 引言

由于初次放頂工作面采集高度是正常開采高度的2倍以上，因此初次放頂工作極容易造成頂板工作面坍塌。我國在改革開放后，北方城市率先開啟煤礦開采事業，南方城市緊隨其后，在短短幾十年后的今天，我國平原地區的已經暫無煤礦區可以開采，煤礦企業不得不將煤礦開采區域向山區轉移。因為山區煤礦開采深度增加，地應力不斷增大，煤層的透氣性逐漸減少，同時巖石強度高、密度大、承載力強，所以初步開采工作難度系數增大，安全隱患極高。我國之所以要在初步開采工作初步放頂工作中運用水力壓裂技術，是因為它可以將傳統煤礦開采后造成采空區大面積懸頂安全隱患解除，通過倒退式壓裂法、整體壓裂方法等方式逐步完成垮落大面積的、懸頂的、堅硬的、難垮落巖石，保障初步開采工作安全順利的進行。

1 水力壓裂技術

1.1 水力壓裂技術概念

水泵壓裂技術的作用原理是：利用地層高壓泵，通過鉆孔孔洞向油層內注入具有高粘稠度的壓裂液，當壓裂液注入速度大于油層的吸收速度時，井底油層上會形成很大的壓力，這種壓力會促使油層開裂，當壓力持續增大時，油層縫隙會逐漸向外圍擴展。我國將水力壓裂技術廣泛使用在石油、煤礦、天然氣開發等方面。

1.2 水泵壓裂技術的優勢

雖然歐洲國家和中國在水力壓裂技術使用和推廣過程中都是存在爭議的，認為在使用水力壓裂過程中會造成環境污染、誘發微小型地震，但是它確實增加了各國煤礦開采總量，促進了各國煤礦年產量大幅度增長。水力壓裂技術運用到煤礦開采中的優勢在于：

其一，可以適應質地堅硬的、難垮落的頂板。其二，滿足長壁式綜合掘機快速作業時頂板及時垮落的要求。其三，對煤礦開采模式和開采技術影響比較小。其四，通過鉆孔數量控制頂板垮落速度的方式比爆破控制頂板垮落的方式更加安全。

1.3 水力壓裂技術的特點

第一點：技術比較成熟，是煤礦開采的主要技術之一。第二點：壓力裂縫屬于單一裂縫，裂縫的方向受地應力控制，裂縫長度受鉆孔數量控制。第三點：水力壓力技術可以和其他壓裂技術組合使用，以滿足煤礦開采的實際需求。

2 水力壓裂技術在放頂煤工作面初次放頂工作中的運用

2.1 實驗煤礦區域概況

本文將以某井田為實驗區域對水力壓裂技術在放頂煤工作面初次放頂工作中的運用情況進行分析。該區域地質構造簡單，地層產狀總體坡度走向為350°，傾斜角大約在5°左右。工作總長度為3056m，傾向長度為260m。采用長臂后退式掘進機進性放頂采煤法，全部垮落法管理頂板。放頂煤工作面9#煤層平均厚度為7.3m，推進范圍控制在1638內，最近檢測平均煤層厚度為5.3m。放頂工作面厚度為13.16m，主要成分是石英石、正長石，是最常見的質地堅硬的、難垮落的頂板。

2.2 設計方案

由于水力壓裂技術可以控制掘進機采掘后，放頂工作面的垮落速度，盡可能降低頂板整體垮落的危險性，讓采空區域頂板可以逐層、分段垮落。該技術可以有效避免放頂工作面給掘進機施工造成的工期延誤的影響，還可以降低工作面頂板維護支護難度。煤礦技術人員需要根據頂板巖石層結構來確定水力壓裂鉆孔位置和鉆孔數量。煤礦開采工程師需要根據放頂工作面厚度確定使用單井壓裂方法、整體壓裂方法、倒退式壓裂法三種方法其中的那一項，由于實驗礦產區域放頂工作面是最常見的堅硬難垮落頂板，因此需要選擇倒退式壓裂法，以鉆孔深度向鉆口位置移動為壓裂原則，從巖石層內部逐層向外圍巖石層進行壓裂。

2.3 施工前期準備工作

首先，準備好水力壓裂技術所使用的配套設備，將儲罐、泵車、混砂車、管匯車等運輸到煤礦開采區域。其次，購買前置壓裂液、攜砂壓裂液、頂替壓裂液，要盡可能選擇穩定性高、殘渣少、價格便宜、摩擦阻力低的壓裂液，以此保障壓裂效果的良好性。最后，購買支撐劑，要保障所購買的支撐劑性能具備強度大、密度小、顆粒均勻、雜質少等要求。

2.4 規范鉆孔施工流程

工作人員需要使用56mm鉆頭進行鉆孔，工作人員必須要嚴格執行技術人員提供的鉆孔施工流程，便于更好的完成壓裂作業。

2.5 標準水力壓裂技術

工作人員應當先使用普通鉆頭對頂板工作面巖層進行鉆孔，一旦鉆頭碰到堅硬巖石無法繼續鉆下去時;需要及時更換特制的鉆頭，利用水力壓裂技術對巖石層進行橫向切槽;當橫向切槽完成后，二次使用普通鉆頭進行鉆孔，鉆孔一定距離后退出;使用跨式鉆孔器將壓裂液注入放頂煤工作面巖石斷層中，利用手動泵向孔洞中注入10MPa左右壓力，在將泵車與注水管向連接，直至壓裂作業完成。

3 水力壓裂技術實踐運用效果檢驗方法類型

3.1 地質雷達檢測法

地質雷達檢測法作用原理是：在了解直達訊號發射時間和發射頻率的情況下，通過分析反射訊號的時間和波速判斷出鉆孔距離和壓裂效果，大體估算出壓裂距離。地質雷達檢測法的優勢是：不會對放頂巖石層孔洞造成影響，探測范圍不受儀器限制。

3.2 孔洞直觀窺視檢測法

直觀窺視檢測法的作用原理是：根據一定的計算方式，測量出水力壓裂鉆孔和觀測孔間的距離，一名工作人員需要利用窺視儀近距離觀察觀測孔，當水力壓裂鉆孔中持續注入壓力時，觀測孔是否會冒出水柱，根據工作經驗大致判斷出壓裂的范圍和壓裂裂縫的走向。這種方法雖然檢測方法便捷，但是觀測范圍受限，得出的結果精確度不高。

3.3 完整的煤礦壓裂檢測法

完整的煤礦壓裂檢測法作用原理是：對頂板、支撐框架受力情況、巖石層位移距離等進行全部檢測，通過分析整體數據報告信息，確定水力壓裂頂板的壓裂效果。這種檢測方法存在明顯的弊端問題：檢驗時間過長、檢測方法落后、檢測難度大。

4 結束語

總而言之，雖然水力壓裂技術關于使用效果和產生后果的爭議從來就沒停止過，但是煤礦企業想要提高年開采總量，解決傳統初步采集期間頂板巖石垮落安全隱患問題，就必須要使用水力壓裂技術，通過對設計方案、施工流程、前期準備工作、檢測方法等工序進行升級優化，來擴大煤礦頂板縫隙密度和延展長度、提高煤層的透氣性，削弱巖石頂板垮落造成的地震等級，全面消除生產安全隱患，保證工作人員的生命健康安全不受威脅。

參考文獻：

[1]馮文生.水力壓裂技術在綜采工作面初次放頂中的應用[J].內蒙古煤炭經濟，2018，No.254（09）：153-154.

[2]孫連勝，齊海清，馮彥軍，et al.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，v.20;No.127（06）： 104-107.

[3].劉會利，馮彥軍.錦界煤礦綜采工作面水力壓裂初次放頂礦壓顯現規律[J].煤炭工程，2017（49）：62.

[4]蘇波.水力壓裂技術在煤礦堅硬難垮頂板中的應用[J].煤炭工程，2019，51（04）：64-67.

[5]曾照凱，陳蘇社，馮彥軍.水力壓裂技術在綜采工作面初放頂板控制中的應用[J].陜西煤炭， 2017（S1）：90-93+140.

作者簡介：

范海超（1988- ），男，漢族，河北滄州人。本科學歷，現工作于陽泉煤業（集團）有限責任公司一礦，研究方向：主要從事采礦工作。