綜放工作面頂板水力壓裂卸壓技術應用

劉 斌，張 磊

(1.彬縣煤炭有限責任公司，陜西 彬州 713500；2.陜西華彬雅店煤業有限公司，陜西 彬州 713500)

0 引言

我國井工煤礦開采中，通常采用全部垮落法管理采空區頂板。當回采工作面上方存在一層或幾層厚度大、賦存穩定、地質堅硬的巖層時，工作面回采過后，此類頂板不易及時垮落，大面積懸露在采空區。一旦造成垮落，由于懸露面積大，層位高，往往具有強烈的來壓特性，容易產生明顯的颶風，對工作面設備造成破壞，嚴重時還會危及到人員自身安全[1]。

針對此類頂板，早期主要通過爆破進行處理，并輔助以注水軟化的方法，但該方法存在一定的缺點[2]。水力壓裂作為一種安全、經濟、高效的頂板控制技術，已在煤礦得到了廣泛的推廣和應用，并且與爆破等手段相比，可以彌補其不足之處，具有良好的技術及經濟效益[3-5]。國內針對水力壓裂技術開展了大量的研究工作，主要包括堅硬頂板控制，堅硬頂煤弱化、提高煤層透氣性等，目前已經在山西、陜西、內蒙古等礦區進行了大面積的推廣和應用[6-9]。

為此，選擇具有典型堅硬難垮頂板的雅店煤礦1403綜放工作面，通過對水力壓裂技術與工藝進行分析，提出現場水力壓裂方案及相關參數，并對壓裂過程中的壓力曲線進行分析，以期得出水力壓裂對工作面頂板的控制效果，為后期類似工作面開展水力壓裂提供依據。

1 工作面概況

雅店煤礦1403綜放工作面開采4號煤層，煤層埋深417.85～632.29 m，厚度0.15～20.87 m，平均12.07 m；工作面長度200 m，傾角6°左右。工作面鉆孔柱狀如圖1所示。

圖1 工作面鉆孔柱狀圖

2 水力壓裂技術與工藝

水力壓裂是指工程巖體由于在內部高壓水壓力的作用下，導致原生裂縫重張或產生新的裂縫并持續擴展的過程，鑒于其應用領域的不同，也稱為水壓致裂或水力劈裂[10-11]。該技術已經廣泛應用于煤炭、石油、天然氣、地熱資源等的開發以及地應力測量等相關領域。

2.1 常規壓裂鉆孔布置及參數

2.1.1 鉆孔布置

一般情況下，工作面壓裂鉆孔有單側布置和雙側布置2種布置方式，如圖2所示。采用雙側布置時，對頂板的弱化效果較好，且鉆孔長度較小，垂高低，易施工，符合一般中部垮高大的規律。采用單側布置時，雖然減少了施工鉆孔數量，但是要求鉆孔比較長，對施工質量要求比較高，同時鉆孔加長導致封孔器推進困難，增加施工難度；根據堅硬頂板的厚薄、層位的不同，可以設計多層鉆孔布置。

圖2 頂板水力壓裂鉆孔布置

2.1.2 鉆孔參數

鉆孔參數主要包括鉆孔間距、鉆孔直徑、仰角、深度等。其中，鉆孔間距根據壓裂半徑而確定，鉆孔直徑根據壓裂時使用的封孔器直徑進行選擇，鉆孔的水平投影與巷道的水平夾角一般為70°～75°，一方面便于施工，另一方面使工作面回采過程中逐步進入壓裂區域，鉆孔仰角則根據布置方式確定，按單層孔布置時一般較小，按雙層孔布置時，上層孔角度可適當大一些，鉆孔深度根據現場柱狀圖、煤層厚度、采高等參數確定。

2.2 水力壓裂系統組成及工序

2.2.1 水力壓裂系統組成

水力壓裂系統主要包括進水管路、高壓泵、高壓供水管路、壓力監測儀、注水管、封孔器。

高壓泵：其作用是提供高壓水進行壓裂，流量7.1 m3/h，額定壓力66 MPa。

高壓供水管路：連接高壓泵出水口與壓裂孔內注水管尾部的通道。

壓力監測儀：實時記錄壓裂過程中的壓力變化，并采用計算機軟件對數據進行處理。

注水管：其作用主要有兩個。將封孔器推送至鉆孔的指定位置；作為注水通道對封隔的鉆孔段進行注水壓裂。為了確保密封性，連接處采用“O”型圈進行密封。

封孔器：由中心管和兩側封隔器組成。通過連桿將兩支封隔器相連，兩側封隔器膨脹后對壓裂段進行密封，高壓水通過中心管注入中間壓裂段。

2.2.2 運行工序

水力壓裂系統主要包含封孔、高壓水壓裂、保壓注水3項工序。水力壓裂過程中初期壓力會急劇上升，在高壓水的作用下起裂后壓力會有所下降，繼而進入保壓階段，此時裂縫會持續向深部擴展，同時產生新的裂縫，保證頂板巖層充分弱化和軟化。

2.3 頂板水力壓裂技術工藝

水力壓裂控頂技術需滿足快速實施要求，減小對工作面正常回采的干擾。與爆破控頂方法相比，安全性好，不會產生有毒有害氣體及震動，水力壓裂控制煤礦堅硬難垮頂板工藝過程如圖3所示。按照設計參數進行鉆孔鉆進，如圖3(a)所示。兩側封隔器加壓使膠筒膨脹，達到封孔目的，如圖3(b)所示。連接高壓泵，注水實施壓裂，如圖3(c)所示。

圖3 水力壓裂控制堅硬頂板巖層示意

3 1403綜放工作面水力壓裂試驗

3.1 設計原則與依據

水力壓裂技術可有效削弱頂板的完整性，使回采工作面頂板及時分層垮落。工作面上方巖層整體性強、強度高，穩定性好，需采取強制措施弱化頂板。工作面頂板卸壓水力壓裂設計及施工經驗。壓裂參數根據頂板巖層厚度、采高、頂煤厚度、頂板巖層結構、頂板垮落步距等參數綜合確定。

3.2 水力壓裂方案設計

1403工作面水力壓裂鉆孔布置如圖4所示。試驗段巷道長度195 m，共布置壓裂孔A孔14個，B孔13個。其中，壓裂鉆孔-A，鉆孔長度120 m，傾角為30°，壓裂終孔位置距孔口27 m；壓裂鉆孔-B，鉆孔長度80 m，傾角50°，壓裂終孔位置距孔口17 m。考慮到運輸皮帶對膠運順槽的影響，為便于施工，鉆孔角度與巷道軸向夾角為60°。

圖4 水力壓裂鉆孔布置

3.3 水力壓裂效果監測

3.3.1 壓裂曲線

采用水力壓裂數據采集儀(水壓儀)實時監測泵壓隨時間的變化過程，可對壓裂過程進行診斷和分析，從而分析堅硬難垮頂板水力壓裂特點，如圖5所示。圖5(a)為鉆孔水力壓裂過程中某一段的壓裂曲線，壓裂時間一般為30 min左右，可以看出壓裂初始時刻，壓力急劇上升，快速達到峰值點，此時巖石孔壁開始產生破裂，出現裂縫，此階段稱為裂縫起裂階段；隨后壓力曲線出現一定的下降后保持穩定直到整個壓裂過程結束，在此階段裂縫能夠在相對恒定壓力的作用下不斷向深部擴展，曲線呈現極其緊密的鋸齒狀，直到裂縫在巖層中有效擴散或貫通。通過圖5(b)壓裂曲線可以看出，不同位置壓裂過程中的壓力變化幅度較小，最小壓力不低于30 MPa，最大壓力在45 MPa左右，壓裂過程中，裂縫在恒定壓力的作用下得到有效擴散。

圖5 壓裂過程中壓力-時間變化曲線

3.3.2 支架壓力

在1403工作面回風順槽進行水力壓裂過后，工作面回采期間支架壓力統計示意圖，如圖6所示。工作面長度為200 m，總計116架支架，其中回風順槽側進行水力壓裂處理范圍為56#～116#范圍內支架。通過支架受力柱狀圖可以看出，個別支架由于上方頂煤比較破碎，導致受力偏大；整體來看，工作面進行水力壓裂卸壓后，工作面靠近回風順槽側支架受力明顯小于膠帶順槽一側，頂板卸壓效果比較明顯，能夠有效避免工作面回采過程中由于支架受力偏大導致的壓架現象，有利于工作面的安全回采。

圖6 工作面支架壓力示意

4 結論

(1)通過對水力壓裂技術工藝進行分析，結合現場鉆孔柱狀圖，確定水力壓裂鉆孔參數及處理高度，確保對煤層上方堅硬頂板巖層進行充分處理，達到壓裂卸壓的目的。

(2)現場壓裂曲線表明，在壓裂初期，壓力快速上升，裂縫存在明顯的起裂階段，此階段壓力較大，隨后在相對恒定壓力的作用下，裂縫向深部擴展，曲線呈現緊密的鋸齒狀，且壓裂過程中壓力基本在30 MPa以上。

(3)根據工作面支架受力分析可以得知，水力壓裂技術能夠有效弱化頂板，改善工作面支架受力狀況，有效提升礦井工作面頂板管理水平，減小或消除堅硬頂板對工作面回采的危害。