堅硬頂板定向水力壓裂技術的應用

馮 烜

(山西省地質礦產研究院， 山西 太原 030001)

在煤炭開采過程中，堅硬頂板指直接位于煤層上方或者位于厚度較薄的直接頂上方厚度較大且堅硬的頂板巖層，該巖層強度高、致密、完整性強，在工作面回采過程中不易及時垮落，會形成較大的懸頂面積，當懸頂長度達到強度極限斷裂、垮落時常會形成颶風，對工作面形成較大的沖擊，嚴重威脅到工作面人員設備安全[1-3]. 目前針對堅硬頂板更多地采用預裂爆破、水壓預裂的方法進行弱化處理。預裂爆破雖然弱化效果較好，但是施工效率低，存在的安全隱患大；水壓預裂雖然緩解了預裂爆破帶來的一些不利影響，但是由于其壓裂鉆孔方向固定，為了保證弱化效果，需要施工工程量較大?；诖耍谒畨侯A裂基礎上提出了定向水力壓裂技術進行頂板弱化處理[4-5].

1 工程概況

某礦主要開采3-1煤，其中31305綜采工作面位于3-1煤3盤區，煤層厚度3.5～3.9 m，平均3.8 m. 工作面直接頂為中粒砂巖、粉砂巖和砂質泥巖互層，塊狀層理，泥質膠結，厚度12.5～20.2 m，平均15.4 m；基本頂為一層厚度較大的細粒砂巖，水平層理，鈣質膠結，厚度1.6～45.8 m，平均20.8 m；直接底為砂質泥巖，水平層理，厚度3.5～10.5 m，平均5.3 m. 由于基本頂堅硬且厚度較大，回采過程中難以及時垮落，現場表現為周期來壓步距大，來壓強烈，對工作面安全生產造成了極大的影響。

2 定向水力壓裂技術原理

定向水力壓裂技術是針對堅硬巖層沿著固定方向提前進行裂縫預設，該裂縫不局限于直線，在壓裂巖層可以彎曲，裂縫的方位直接決定了巖層中裂隙的發展方向，也決定了壓裂效果[6]. 壓裂之后在短時間內向鉆孔中注入高壓水，高壓水會沿著初始裂縫對周圍巖體進行切割，將鉆孔周圍一定范圍內的巖體水壓漲裂成不同形狀的塊體或者分層，壓裂原理見圖1.

圖1 定向水力壓裂原理圖

定向水力壓裂技術借助高壓水沖擊將堅硬頂板進行分層或者割裂，破壞巖層完整性，整個壓裂過程實際上為高壓集中應力的轉移和釋放，從巖體內部破壞其結構，實現堅硬巖層的弱化。另外，定向鉆孔可以任意彎曲，可以實現巖層定向、定點、定區域破壞。在充足水壓作用下，巖層破壞半徑可以達到10～25 m.

3 定向水力壓裂方案

3.1 鉆孔布置

31305工作面共布置鉆場1個，位于31305主運順槽1聯巷，設計鉆孔3個，主要解決3-1煤層堅硬頂板發育造成的強礦壓問題。為了不影響正常生產，鉆孔延伸到工作面前方100 m處的頂板位置，鉆孔長度分別為510 m、545 m、590 m，累計長度1 645 m. 鉆孔采取平均分布法進行布置，鉆孔間距71.25 m，鉆孔剖面布置于3-1煤層頂板18 m位置處，壓裂目標層位為基本頂細粒砂巖。設計孔徑96 mm，具體布置圖見圖2.

3.2 壓裂施工流程設計

該次壓裂采用定向分段水力壓裂技術，壓裂工藝過程見圖3，其中1#鉆孔分為9段進行壓裂，2#鉆孔分為10段進行，3#鉆孔分為10段進行壓裂，具體施工流程如下：

1) 采用定向鉆機壓裂施工鉆孔。2) 將分段水力壓裂工具串送入孔內指定位置，通過雙封隔器單卡壓裂目標層位段。3) 利用高壓壓裂泵向孔內注水，實現封隔器的坐封。4) 持續增壓，達到設定壓力后，節流器打開，進行第一段鉆孔的水力壓裂施工，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。5) 完成第一段壓裂施工后，關閉壓裂孔口壓裂泵注設備，進行孔口排水卸壓，封隔器自動回彈至原有規格；利用定向鉆機拖動孔口高壓管柱，將封隔器拖動至設計位置，進行第二段壓裂施工。6) 依次完成設計施工段的壓裂施工，相鄰壓裂段形成三維立體連續性巖層裂縫，壓裂施工完成后，通過鉆機的起拔進行壓裂工具串的回收。

圖2 定向壓裂鉆孔布置圖

圖3 定向分段水力壓裂工藝過程圖

4 壓裂效果分析

4.1 礦壓步距分析

實施定向水力壓裂后，對31305工作面周期來壓進行觀測，選取了10次周期來壓步距與未實施水力壓裂情況下進行對比，見表1，實施水力壓裂后工作面周期來壓步距、來壓持續距離明顯降低。水力壓裂前周期來壓步距平均為19.7 m，水力壓裂后周期來壓步距平均為14.8 m，降低了24.9%；水力壓裂前來壓持續距離平均為5.6 m，水力壓裂后來壓持續距離平均為4.6 m，降低了17.9%.

4.2 礦壓強度分析

31305工作面實施定向水力壓裂前后礦壓顯現見圖4. 由圖4可以看出，對堅硬頂板實施定向水力壓裂后，工作面礦壓顯現明顯減弱，工作面推進160 m范圍內未實施頂板壓裂情況下，支架平均工作阻力為9 946 kN，實施壓裂后支架平均阻力減小到9 268 kN，減小了6.8%. 證明通過定向水力壓裂對堅硬頂板進行弱化處理效果較好，由巖石內部產生裂隙，破壞了巖石的整體完整性，縮短了來壓步距，降低了來壓強度。

表1 31305工作面壓裂前后周期來壓步距變化特征表

圖4 31305工作面壓裂前后支架礦壓顯現特征圖

5 結 語

針對某礦31305工作面厚且堅硬的頂板條件，布置了3個定向鉆孔，直接延伸至細粒砂巖層，采用分段壓裂施工工藝保證壓裂效果。通過對31305工作面定向水力壓裂前后礦壓觀測可知，實施壓裂后工作面來壓步距、來壓持續距離以及礦壓強度都得到了明顯的降低，來壓步距降低了24.9%，來壓持續距離降低了17.9%，來壓強度降低了6.8%，定向水力壓裂效果顯著。