淺埋深堅硬頂板定向長鉆孔水力壓裂技術應用

文/王生彪

神東礦區淺埋煤層群開采存在上覆遺留煤柱，上下煤層間距相對較小，開采時相互影響較大，開采過程中存在礦壓顯現強烈、圍巖變形，工作面液壓支架活柱短時間內大幅下縮，甚至可能發生支架壓死、設備損壞等事故，嚴重威脅煤礦安全生產。神東煤炭集團榆家梁煤礦就面臨該問題。

榆家梁煤礦4-3煤層上覆4-2煤遺留的跳采及房式開采遺留煤體煤柱，會形成高應力區，對煤柱下方工作面的安全開采造成威脅。為減弱工作面上覆4-2煤層遺留煤柱區域在回采過程中發生強礦壓顯現問題，保證工作面正常安全生產，實施煤層堅硬頂板弱化技術工程應用項目，開展定向長鉆孔水力壓裂技術實踐，對煤層堅硬頂板進行弱化，以緩解上覆遺留煤柱所造成的應力集中，保障工作面安全回采。

一、工作面概況

榆家梁煤礦4-3煤層為中厚偏薄煤層，煤層傾角1°～3°，煤層厚度1.5～1.85m，平均1.7m，工作面煤層穩定，結構簡單。

43202工作面位于榆家梁井田東北部。工作面回采長度為1756.4m，工作面寬298.3m，回采面積52.39萬m2。東南側為43201工作面；西側為備采的43203工作面。

4-3煤層與上覆4-2煤層間距15.3～19.5m，平均16.6m。43202工作面煤層直接頂板為中粒砂巖，灰白色，以長石、石英為主，分選性中等，次棱角狀，泥質膠結。43202工作面煤層直接頂平均厚度5.20m。老頂為灰白色細砂巖，成份以石英為主，長石次之，含少量巖煤屑，分選中等，次圓狀，泥質膠結，斜層理。老頂厚度3.7～5.1m，平均4.5m。工作面煤層直接底為深灰色泥巖，含巖屑及植物化石，遇水泥化嚴重，厚度0.7～3.5m，平均厚度2.1m。

二、頂板水力壓裂工藝及設計

1.壓裂工藝

采用雙封單卡多點拖動管柱分段水力壓工藝。雙封單卡多點拖動式頂板分段水力壓裂技術工作原理是在施工完成定向鉆孔，將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，使高壓管柱壓裂液與封隔器壓力平衡傳遞，實現“即壓即封、卸壓解封”。

當高壓壓裂液達到3MPa后封隔器完全坐封，繼續增壓，使壓力達到5MPa后，限流器打開，完成壓裂段的壓裂施工；壓裂施工過程中，高壓壓裂液不斷注入頂板巖層中，促使作用于巖層的水壓力逐漸升高，當壓力大于巖層破裂壓力后，巖層的彈性余能以動能形式釋放，表現為巖體壓縮破裂、引起振動等動力現象，促使巖層產生新的裂縫系統，破壞巖層整體完整性，降低其強度；當施工完成第一段壓裂工作后，關閉壓裂孔口壓裂泵注設備，使孔口排水卸壓，封隔器自動回彈至原有規格；借助定向鉆機拖動孔口高壓管柱，拖動封隔器至設計位置，施工第二段壓裂工作，依次施工完成設計施工段的壓裂工作，相鄰壓裂段形成三維立體連續性巖層裂縫，實現煤層堅硬頂板的有效弱化。

2.工程設計

通過井下踏勘，并對工作面地質說明書、鉆孔柱狀圖等地質資料進行分析，結合工作面回采進度情況，綜合頂板關鍵層判識結果，針對43202工作面上覆煤層遺留煤柱等易發生強礦壓顯現問題位置，提出鉆孔布置方案。

43202工作面布置鉆場1個，設計鉆孔4個；43203工作面布置鉆場3個，設計鉆孔7個。設計孔徑96mm，孔口一開96mm鉆進至直接頂，二開擴孔153mm，下127mm套管跨過巖層10m。套管侯凝結束后按照設計軌跡一開96mm鉆進至終孔，鉆孔壓裂目標層位為4-3煤層頂板以上6m處細粒砂巖。方案具體設計內容如下。

（1）鉆場位置：榆家梁煤礦43202工作面1號鉆場位于43202主運順槽20聯巷。

（2）鉆孔分布：1號鉆場布置鉆孔4個，單孔長度270～360m。鉆孔均位于上覆4-2煤層遺留保護煤層正下方，鉆孔剖面上位于4-3煤層頂板6m。

（3）鉆孔間距：1號鉆場內相鄰鉆孔間距平均32m，其中T1與T2間距35m，T2與T3間距37.5m，T3與T4間距24.6m。

三、壓裂效果評價

1.壓裂監測數據分析

通過遠程操控計算機，應用壓裂數據的自動監測和記錄功能，監督水力壓裂過程，獲得整個水力壓裂施工過程中的壓力及流量變化曲線。通過分析鉆孔壓裂監測曲線可知，當開啟高壓注水泵，首先膨脹封隔器，壓力緩慢上升，當封隔器完全膨脹坐封后，壓力驟然上升達到21.32MPa，然后降至10MPa左右，說明孔內壓裂段圍巖發生明顯破裂。繼續注水壓裂憋壓，壓力上升至20MPa，壓裂過程中伴隨多次明顯降壓點，最大降壓達到11.23MPa，說明該段水力壓裂確實對頂板形成了有效的破裂，并且通過多次壓降，形成的裂縫也充分得到延伸，達到了工程施工效果。

2.壓裂現場效果分析

現場壓裂施工過程中，通過對臨近鉆孔出水情況進行觀測，反映了本次壓裂治理范圍。本次項目執行中發現鉆孔在壓裂過程中，經過數次壓裂明顯降壓后，發現其臨近孔出現出水情況。根據現場實際監測情況，各臨近鉆孔出水范圍在17～62m，說明各壓裂鉆孔之間裂縫已經形成了導通。

3.礦壓特征分析

在43202工作面回采過程中，借助礦壓監測系統動態監測支架壓力，對比回采進入壓裂施工區域前后的情況，整體評價壓裂效果，主要對比參數包括回采過程來壓強度、來壓步距、動載系數等。

（1）43202工作面礦壓分布特征。

①支架阻力分布特征。根據采集的井下跟蹤監測數據結果，繪制出43202工作面支架阻力變化云圖。由43202工作面礦壓數據云圖可知，工作面回采在1200～1500m未壓裂區域過程中，工作面整體來壓范圍廣泛，來壓強度大，工作面回采在1350m附近，出現大面積礦壓高值區（400～450bar）。工作面周期來壓期間，支架的載荷為360～505bar，平均值為432.5bar，整體在30～150支架之間。

當工作面回采經過煤柱區域時原本會出現應力集中現象，相較未進入煤柱區域有所增大，會出現大面積應力集中區，導致支架阻力增大。但本次在43202工作面1600～1700m處布置了壓裂鉆孔3個，由該區域對應的支架阻力變化圖可知，通過進行水力壓裂后，在三個壓裂鉆孔位置均出現支架阻力低值區，同時也促使壓裂范圍內的高應力集中區向低應力區轉移，避免出現大面積高應力區，使得整體壓裂范圍內應力分布更加均勻，來壓強度明顯降低。

根據地表塌陷和工作面推進對比圖，當回采至壓裂治理區域，將每日推進位置與實際地面塌陷位置對比可以看出，經過水力壓裂弱化治理后，工作面塌陷較理想，工作面來壓為超前來壓，約超前工作面5m。

②礦壓參數特征分析。為了更好地分析堅硬頂板分段壓裂弱化效果，本次主要從頂板周期來壓步距、周期來壓強度、支架動載系數等方面，進行壓裂前后對比分析（選取在壓裂范圍5次周期來壓數據），如表1所示。

表1 43202壓裂鉆場礦壓評價數據分析

根據表1數據結果分析可知，在未壓裂區域與壓裂區域分別取5次周期來壓進行分析對比，從來壓步距上看，發現未壓裂區域來壓步距在7.2～10.4m，動載系數在1.23～1.37之間；壓裂區域來壓步距在4.0～7.2m，動載系數在1.20～1.25之間。均值上，壓裂區域較未壓裂區域來壓步距降低了41%，動載系數降低了5%，來壓時的支架阻力也有所減少。實際工作面回采過程中，未發生明顯的底鼓和幫鼓現象，印證了壓裂施工的良好效果。

（2）壓裂鉆孔對應支架阻力變化。43202工作面1號鉆場沿工作面傾向布置，因此將工作面壓裂區域分為上、中、下三個區域，三個支架阻力測線分別作為三個區域代表，分析壓裂前后來壓強度變化，評價壓裂效果。

43202工作面共布置175個支架，取43#、87#、131#三個支架阻力測線分別作為三個區域代表，可以得出工作面上、中、下區域來壓情況整體基本一致，在回采至壓裂區域（煤柱區域）時，支架阻力并無增大現象。同時壓裂區域與未壓裂區域相比，壓裂后支架阻力在200～350bar之間，阻力值有所增加，且整體較未壓裂區域支架阻力變化更加穩定。通過壓裂工藝分析可知，壓裂裂縫的形成，促使工作面頂板來壓強度重新分布，分布更加均勻，使回采過程中來壓均勻穩定，規避或減弱上覆遺留煤柱造成的強礦壓顯現。

四、結論

通過雙封單卡多點拖動式裝置，對單孔實現了多段、精準、高壓狀態下的超長鉆孔分段壓裂施工，實現對43202工作面水力壓裂弱化治理，結合礦壓監測研究，綜合井下生產實際監測情況可知，水力壓裂施工效果明顯。

1.本次水力壓裂施工中，各段注水壓力達到16.8～22.48MPa時巖層開裂，之后壓力呈現周期性鋸齒變化，此時微裂縫形成并擴展。隨著周期性微裂縫的形成，伴隨持續注入高壓注水，壓力增加至16.8～22.48MPa后突降，巖層明顯出現破裂。隨后在持續的高壓注水作用下，巖層呈現“鋸齒微裂縫周期性形成—明顯破裂”的變化規律。通過對壓力變化分析，孔內巖層破裂明顯，且形成一定規模裂縫，對上覆煤柱集中應力進行有效釋放。同時通過礦壓監測數據分析，發現43202工作面壓裂區域較未壓裂區域來壓步距降低了27%，動載系數降低了7%；壓裂區域相比未壓裂區域，整體壓力分布均勻，來壓強度明顯降低。

2.根據現場反饋情況，實際回采過程中壓裂治理區域頂板垮落良好，并未出現強礦壓顯現問題，初步驗證了水力壓裂的弱化效果，同時保障了礦井安全回采。