近距離煤層下層煤頂板水力壓裂超前弱化技術應用

呂慶國

（朔州市煤炭設計研究所，山西 朔州 036002）

黨新煤礦近距離煤層下行開采時上覆煤層會遺留保護煤柱，基本頂整體懸頂面積較大，無法及時垮落，造成下伏煤頂板掉渣、下沉現象頻發，煤幫鼓和底鼓較大，導致超前支架拉架和工作面推溜等問題。為能夠有效緩解或消除上覆煤柱造成的強礦壓問題，提出煤礦井下定向長鉆孔雙封單卡多點拖動式分段水力壓裂頂板弱化技術，為礦區安全高效生產提供技術支撐。

1 工作面概況

9102 工作面位于朔州市平魯區白堂鄉黨家溝村東，相鄰9101 和9103 工作面。工作面回采長度為1 756.4 m，工作面寬298.3 m，回采面積52.39 萬m2。工作面平面位置圖如圖1 所示。

圖1 9102 工作面平面位置圖

9102 工作面回采9 煤層，煤層厚度1.75～1.85 m，平均1.78 m。9 煤層與上覆5 煤層平均間距14.2 m。4-3 號煤層與9 煤層、5 煤層的關系如下表1 煤層頂底板層位所示。

2 定向長鉆孔水力壓裂

2.1 鉆孔布置原則

（1）鉆孔布置的合理性。結合壓裂施工點地質剖面，精確確定壓裂關鍵層位，本次設計關鍵層位為基本頂砂巖。嚴格控制鉆探施工軌跡，保證壓裂施工改造層位的準確性，且鉆孔水平位置盡量控制在上覆集中煤柱正下方。

（2）鉆孔質量控制。鉆孔軌跡的平滑性，鉆孔分段壓裂設備，尤其是封孔器需在光滑、平整的鉆孔段進行封孔坐封，方能滿足高壓注水壓裂需求。

（3）鉆孔軌跡控制。壓裂鉆孔軌跡應規避斷層等地質構造影響，壓裂段位于地質構造影響范圍內，易造成漏失嚴重，降低壓裂有效應力，影響壓裂效果，降低頂板巖層弱化效果。

（4）考慮分段壓裂施工難度，鉆孔設計不宜過長，一般不超過600 m。

（5）考慮壓裂設備能力，地層漏失水量，壓裂點不宜過長，一般4～10 m；

（6）壓裂間距20～40 m，考慮工具使用壽命，單孔壓裂次數6～12 段。

2.2 壓裂層位優選

工作面在采掘過程中底板巖層經歷了“支承壓力集中壓縮-應力解除膨脹-應力恢復再壓縮”的過程，造成了底板巖層裂隙率增大，并伴隨著豎向張裂隙、層向裂隙、剪切裂隙的形成。若壓裂鉆孔布置于底板擾動裂隙帶或接近該裂隙帶，易引起壓裂過程中增大注水的濾失性，乃至造成高壓水通過裂隙涌向上覆的5 煤采空區，造成無法起壓壓裂，延展影響巖層弱化效果。為此開展了采空區底板破壞深度理論分析，根據煤層間距以優選定向長鉆孔布置層位，保證巖層超前弱化效果。

為確定研究區上覆5 煤層回采后，底板擾動破壞帶發育范圍，結合5 煤層遺留煤柱寬度及聯巷規格等，根據表2 的經驗公式進行了計算。通過綜合安全、理論分析，5 煤底板擾動破壞帶深度取最大值為7.83 m，根據兩層煤層間距平均14.2 m，9 煤頂板壓裂不能超過6.37 m。因此，設計9 煤層頂板6 m 的老頂細粒砂巖為壓裂鉆孔布置層位，保證壓裂裂縫延展規模，提高巖層弱化效果。

表1 煤層頂底板層位

表2 底板破壞深度計算結果

2.3 壓裂鉆孔工程布置

針對9102 工作面上覆煤層遺留保護煤層等易發生強礦壓顯現問題位置，提出了鉆孔布置方案。布置鉆場1 個，設計鉆孔4 個，設計孔徑96 mm，孔口一開96 mm 鉆進至直接頂，二開擴孔153 mm，下127 mm 套管跨過巖層10 m。套管凝結后按照設計軌跡一開96 mm 鉆進至終孔，鉆孔壓裂目標層位為9 煤層基本頂細粒砂巖。

方案具體設計內容如下：

方案共布置鉆場1 個，鉆場位于9102 主運順槽20 聯巷；鉆場布置鉆孔4 個，單孔長度270～360 m；鉆孔均位于上覆5 煤層遺留保護煤層正下方；鉆場內相鄰鉆孔間距平均32 m，其中T1 與T2 間距35 m，T2 與T3 間距37.5 m，T3 與T4 間距24.6 m。鉆孔設計平面圖如圖2 所示，鉆孔施工參數見表3。

表3 鉆孔施工參數表

2.4 水力壓裂工藝及工程施工

本次擬采用雙封單卡多點拖動管柱分段水力壓裂工藝，如圖3 所示。雙封單卡多點拖動式頂板分段水力壓裂技術工作原理為，當完成定向鉆孔施工和壓裂工具串送入指定位置后，通過雙封隔器單卡壓裂目標層位段，利用在封隔器中設計平衡泄壓通道，實現了高壓管柱壓裂液與封隔器壓力的平衡傳遞，保證“即壓即封、卸壓解封”的目標。

圖3 壓裂工藝示意圖

頂板分段水力壓裂施工主要包括壓裂準備階段、封孔試壓階段、高壓注水分段壓裂階段和停泵回收工具階段。準備階段主要包括鉆場布置、水電要求、設備進場、設備安裝等工序；封孔試壓階段主要包括輸送工具串、注水坐封、注水試壓等；高壓注水分段壓裂階段主要有注水壓裂施工、循環拖動完成多段壓裂、壓裂參數監測、甲烷及巷道壁監測等操作；完成拖動壓裂施工后停泵，進行鉆孔排水，鉆機拖動，回收壓裂工具。

3 應用效果分析

3.1 壓裂成果

以T2 為例：

第一階段（311.25～315.48 m），壓裂85 min，注水量為20.3 m3，最高壓力為20.3 MPa，最大壓降為6.78 MPa，出現明顯破裂4 處。

第二階段（272.90～277.13 m），壓裂51 min，注水量為35m3，最高壓力為20.28 MPa，最大壓降為3.98 MPa，出現明顯破裂4 處。

第三階段（242.90～247.13 m），壓裂42 min，注水量為27.0 m3，最高壓力為20.52 MPa，最大壓降為5.52 MPa，出現明顯破裂3 處。

分析來看，壓裂效果明顯，可達明顯破裂3～4處。

3.2 來壓步距分析

進入煤柱前來壓時工作面推進1610 m，直至進入煤柱工作面推進到1631 m 時工作面才來壓，來壓步距為21 m。經過水力壓裂后，9#煤層頂板垮落較理想，工作面來壓為超前來壓，約超前工作面5 m。過上覆集中煤柱時采取工作面調斜的方式，機尾超機頭推進5 m，來壓分段來壓。

4 結語

上覆遺留煤柱強礦壓治理的定向長鉆孔分段水力壓裂超前弱化治理技術的應用，降低了來壓強度，減緩礦壓顯現，有效地弱化了頂板，成功掩護了壓裂施工范圍內工作面安全回采。