間隔切縫水力壓裂提高綜放頂煤回收率研究

蘇 波

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013)

綜放開采成功的關鍵是頂煤能夠順利放出，使頂煤回收率達到設計要求。一般情況下，綜放開采時頂煤是在頂板壓力作用下超前于工作面碎裂，隨著工作面的推進運移到放煤口，在液壓支架的反復支撐和尾梁的擺動作用下順利放出[1]。然而榆神礦區煤層厚度大、埋藏淺、力學強度高，頂板不能夠及時垮落壓碎頂煤，堅硬頂煤在支架上方常常處于懸臂梁狀態，導致頂煤冒落塊體大或不冒落、無法順利放出，嚴重影響回收率。當前國內改變堅硬頂煤冒放性的手段主要包括爆破預裂法和水力壓裂預裂法[2-4]。由于爆破需要使用火工品，因此爆破預裂法在該區很多煤礦受限，而水力壓裂技術預裂煤體在國內已有眾多學者進行了研究，并取得了一定的成果[5-9]，但是在深孔水射流間隔切縫水力壓裂參數選擇方面還需針對具體的礦井地質條件展開詳細研究，基于此，筆者在榆神礦區的神樹畔煤礦3107工作面開展了水射流間隔切縫水力壓裂預裂頂煤的研究。

1 工作面及煤層情況

神樹畔煤礦3107工作面煤層厚度平均為11.39m，機采4.8m，放頂煤6.6m，放煤步距1.6m，采放比為1∶1.37。采用兩刀一放進行回采。3107綜放工作面位于神樹畔煤礦31采區，開采3號煤層，工作面切眼布置在井田西北部距離礦井邊界20m，終采線距3號煤輔運大巷177.1m。工作面西翼為3201工作面，東翼為3106采空區，北翼為榆樹灣井田，南翼為大巷保護煤柱，其他四周均無采掘活動。工作面地面標高+1222.1m至+1318m，井下標高+1070m至+1081.6m，工作面埋藏深度分布在152～236m。工作面走向推進長度1756m，傾向長度265m，開采面積為465340m2。

該區域內煤厚變化不大，根據3號煤力學性質測試結果，煤樣的單軸抗壓強度平均35.5MPa，煤層性質屬于堅硬煤層范疇。3107工作面煤層直接頂板厚6.67～8.38m，平均厚度7.53m，巖性以泥巖及粉砂質泥巖為主；煤層基本頂板全井田分布，分布面積廣，厚度大，厚9.86～34.93m，平均22.4m，巖性以細粒及中粒砂巖為主，粉砂巖次之。3號煤層底板以粉砂質泥巖為主，局部地段為粉砂巖及細砂巖。基本頂主要為基巖風化裂隙帶之下的正常砂巖組，包括粉砂巖、細砂巖、中砂巖及粗砂巖等，巖組以中～細粒砂巖為主，粗粒砂巖及粉砂巖次之，多為泥質、鈣質膠結，泥質膠結的強度相對較小，鈣質膠結的強度大。巖石質量為中等～好，巖體完整性較好，為抗水、抗風化和抗凍性較好的巖石。可見，該煤層頂板為中等冒落～難冒落頂板，穩定性較好。

2 堅硬煤層頂煤冒放性控制理論分析

在綜放開采時，頂煤中的堅硬層位的厚度對其冒放性有很大的影響，堅硬層位處于三向應力狀態，對于淺埋深礦井而言，上覆巖層垮落前未能及時將壓力傳遞至煤體，頂煤無法在超前支承壓力作用下自然破碎[10]。只有當工作面采到該處后，隨著下方能夠少量放出的煤層(也可能完全放不出)的位移而產生少量變形，或者隨著下方煤層放出而持續懸頂狀態。下位頂煤在支架頂梁反復支撐作用下破碎后下移(該層位厚度也可能為0)，上位堅硬頂煤與其交界面分離后呈現為懸臂梁狀態[11]，如圖1所示，懸梁上受到直接頂傳遞的均布載荷q1與自身重力q2的作用，即q=q1+q2。為了使放煤效果較好，需要這種懸臂梁在放頂煤開采時能夠及時斷裂冒落，最終在支架的反復支撐下順利放出。

圖1 堅硬煤層懸梁力學模型

為了根據圖中的力學模型得到頂板作用下懸梁煤層可斷裂的臨界厚度，設堅硬煤層懸梁的最大彎矩為：

式中，Mmax為最大彎矩，N·m；L為堅硬煤層懸臂最大長度，m；q1為直接頂傳遞的均布載荷，MPa；q2為自身重力，MPa。

考慮截面模量J，該梁受到的最大拉應力：

當梁上最大拉應力達到抗拉強度時，即令σmax=Ft，其中，Ft為堅硬煤層抗拉強度，MPa。

Fth2-3L2γ1h1-3L2γ2h=0

求解可得堅硬煤層影響放煤效果的極限厚度為：

式中，γ1為直接頂容重，kg/m3；γ2為堅硬煤層容重，kg/m3；h1為直接頂厚度，m。

根據一個循環的放煤步距，頂煤懸臂的最大長度L一般控制在1m左右比較合理，令L=1m，代入上式，則：

其中，Ft值在實驗室測定，也可根據單軸抗壓強度估算：

式中，Fc為堅硬煤層單軸抗壓強度，MPa；k為煤體中裂隙度系數，可取0.3～0.9。

為了確定堅硬煤層懸梁斷裂的臨界厚度，應取Ft最大值，按神樹畔頂煤條件k取0.9，根據單軸抗壓強度Ft=3.2MPa，直接頂厚度按7.53m計算，γ1=2500kg/m3，γ2=1350kg/m3，代入上式中可得h=2.8m，可見為了使該頂煤冒放效果較好，應控制懸梁豎直方向高度h不大于2.8m，需要人工進行層理方向預裂。

3 深孔射流間隔切縫原理及工藝

本次采用深孔水射流切縫間隔壓裂的方法進行頂煤預裂。結合伯努利方程，水射流的流量可按下式進行計算[12]：

水射流破壞煤體主要是靠高壓泵對水體施加的壓力，轉化為噴嘴口水體的動能E水。

式中，A為噴嘴口面積，m2；C為流量系數；d為噴嘴直徑，m；φ為噴嘴能量轉換系數；P為噴口壓力，MPa。

從上式中可知，當噴嘴尺寸給定后，流量越大，水射流的動能也相應越大，泵壓越大，射流的能量也相應越大，為此本次采用額定壓力66MPa的高壓泵。

由于射流體從噴嘴噴出后，其作用在煤體表面的流體壓力分布是呈現梯度衰減變化的，射流成縫后，在裂縫中的液體壓力梯度與裂縫的寬度、作用的時間和液體的粘度、反彈的水錘效應等多種因素有關[13]，目前尚無準確的切縫深度計算公式，因此現場試驗是最為直接有效的辦法，本次在孔口進行了煤體的射流試驗，射流切縫30min，通過測量縫隙半徑深度可達0.3～0.5m。

射流切縫操作應在工作面巷道施工鉆孔后，在水力壓裂操作之前，對關鍵位置進行高壓射流環向間隔切縫，當壓裂時在高壓水的作用下，切縫處的應力集中高于光滑孔壁，預制切縫處在拉應力的作用下優先起裂[14，15]，具體工藝流程如下：①鉆孔施工：在工作面巷道指定位置，按照設計方案的鉆孔孔徑、仰角、深度進行施工；②間隔切縫：利用鉆切一體化的鉆桿，通過鉆切轉換裝置，開啟水射流狀態，在鉆孔的關鍵位置進行射流切縫，切縫一般保證10min，主要根據觀察返水的混濁情況，待返水清澈時停止射流，鉆桿回退一定距離后，再次進行間隔射流切縫；③間隔壓裂：待孔內切縫施工完畢后，退出鉆桿將壓裂管和封隔器裝入孔內，推送至切縫處，仍然采用后退式間隔封孔壓裂，若煤體出現異響或孔口大量返水則停止壓裂，一般每處的壓裂時間控制在30min。

4 現場施工方案及應用效果

4.1 現場施工方案

頂煤壓裂采用空間間隔壓裂與時間間隔壓裂并舉的方案，預裂孔鉆孔布置如圖2所示。空間間隔即在頂煤中先施工壓裂鉆孔，每組孔水平間距10m，在鉆孔中每間隔7.5m采用射流割縫(按鉆孔仰角計算后，其豎直間隔為2.5m<2.8m，滿足前述計算要求)，在時間間隔上，先進行A1、A2頂煤的兩個孔壓裂，當超前支承壓力使該裂縫進一步擴展后，再進行補孔A3壓裂。此外為了使巷道上隅角及時冒落，又施工了B號壓裂孔。壓裂孔的具體參數如下：

圖2 預裂鉆孔布置(m)

1)頂煤壓裂孔A1、A2：與巷道的方位角分別為30°和90°，仰角分別為10°和20°，兩孔水平間距為1.0m，鉆孔開孔位置距離巷道底板高度分別為1.8m和2.2m。A1鉆孔深度為45m，A2鉆孔深度為27m，孔徑?60mm，鉆孔終孔位置均在煤層與頂板交界位置。A1孔沿工作面傾向方向(垂直巷幫方向)的最遠影響距離為44.3m；A2孔沿工作面傾向方向(垂直巷幫方向)的最遠影響距離為25.4m，主要以處理端頭處不宜垮落煤層為主。在孔內每間隔7.5m采用射流器割縫，隨后每間隔3m再用高壓水實施壓裂。

2)巷道上方壓裂孔B：鉆孔方位角為30°，沿巷道走向方向；仰角為30°，朝向采空區方向。鉆孔深度為30m，孔徑?60mm，垂直方向壓裂頂板高度為14.6m。每隔3.0m壓裂一次。

3)二次壓裂孔A3：當工作面回采至超前支承壓力影響范圍內后，在每組頂煤壓裂孔之間補充施工壓裂鉆孔A3，鉆孔方位角為20°，仰角為20°，鉆孔深度為31m；A3與A1孔的水平間距為5m，每隔7.5m用射流器割縫，再每隔3.0m壓裂一次。

4.2 應用效果

為了對比水力預裂前后的壓裂效果，分別在鉆孔中進行了電磁波CT掃描探測裂隙情況，電磁波視吸收系數β是反映電磁波衰減程度強弱的指標。水力壓裂前后，同一區域的電磁波視吸收系數存在差異性，根據這種差異性，推測裂縫分布區域。水力壓裂前后探測區域電磁波CT掃描成像二維圖如圖3、圖4所示。

圖3 水力壓裂前電磁波吸收系數云圖

圖4 水力壓裂后電磁波吸收系數云圖

一般電磁波視吸收系數分布在3.0dB/m以下視為原巖區域，預裂前，在兩鉆孔之間的絕大多數區域的電磁波視吸收系數分布在3.0dB/m以下，可見煤層完整堅硬；預裂后在孔深35～45m區域，有顯著的電磁波衰減異常增大區，判斷該位置可能存在較多裂縫。除此以外，3.0dB/m以上的區域可視為有裂縫分布區域。從圖4中可以看出，巷道走向0～6m、孔深33～45m范圍裂吸收系數顯著，巷道走向4～10m、孔深7～30m范圍吸收系數顯著，說明裂縫沿鉆孔半徑擴展可達6m范圍。

根據5月13日至6月19日近一個月時間內，對水力壓裂區域的放煤效果進行了現場觀測，按礦井每天產量統計，采用水力壓裂之后，頂煤回收率達到了72.49%，放煤時大塊邊長不超過0.6m，此外工作面割煤效率有了明顯提高，說明壓裂后懸臂梁及時斷裂，此外，懸臂梁及時斷裂后壓力作用于煤壁，使采煤機截割處的煤體也有一定松動。回風端頭下部機尾每分鐘的割煤速度相比機頭提高了1.0m/min左右，每循環的割煤時間縮短5～10min。

5 結 論

1)采用切縫間隔預裂技術，在打孔回撤鉆桿時即可切縫，并采用后退式多次間隔壓裂，節省了時間，降低了初始的起裂壓力，提高了效率，該條件下的射流半徑可達0.3m，煤體在壓裂后裂縫擴展范圍半徑可達6m。

2)深孔射流切縫間隔水力壓裂技術是提高堅硬頂煤回收率的有效途徑，壓裂后頂煤回收率達到72.49%，割煤效率也有所提高。