高壓水力壓裂技術在綜放工作面初采放頂中的應用

張銀虎

(汾西礦業集團水峪煤業，山西 孝義 032300)

水力壓裂是指在頂板當中進行普通鉆孔，然后借助特制開槽鉆頭從鉆孔的末端開始沿橫向進行切槽，并對其實施注漿封閉，利用高壓泵為切槽注水，充分利用注水時產生的高壓力使切縫的端部產生若干裂縫，同時在巖層當中不斷擴展和延伸，使巖層裂縫明顯增大，使頂板巖層被分割成若干層，破壞頂板整體性，減小整體強度。在不斷推進工作面時，伴隨采動動壓與頂板圍巖應力持續影響，頂板巖層從一次性垮落向分層垮落過渡，在減小初次來壓的同時，避免大面積垮落造成的威脅與危害，從而使工作面回采得以安全且順利的完成。

1 工程概況

某煤礦東西方向總長約10 km，南北方向傾斜寬度為2 km～4 km，總面積為18.4 km2，其主采煤層為3號煤層，層厚5.38 m，開采方式為綜采低位放頂，頂板管理方法為全部垮落法，在順槽與切眼掘進過程中都沿著煤層頂板進行施工。礦井工作面的直接頂是泥巖和粉砂巖，泥巖厚度只有9 cm左右，強度約35.42 MPa；粉砂巖的厚度可達1.8 m，強度約78.92 MPa。老頂以細粒砂巖為主，其厚度約為3.4 m，強度可以達到98 MPa。

工作面切巷因頂板巖層較為堅硬，而且支護措施采用錨網和錨索相聯合的方式，在初采過程中采空區頂板無法及時垮落，回采過程中雖然進行了提前退錨，但頂板處垮落的矸石并不充分，難以填滿采空區，導致回采初期采空區發生大面積懸頂或瓦斯大量聚集，在工作面的上隅角處時常產生瓦斯超限的情況，這會給礦井的安全生產造成很大安全隱患。對于這種實際情況，通過合理引用水利壓裂技術能有效解決。

2 方案設計

2.1 參數選取

以工作面的支護方式切眼掘進情況為依據，結合現有的相關數據實施計算，以此確定頂板巖層實際移動情況，對于基本頂進入到裂隙帶巖層中的厚度，可采用公式(1)通過計算確定。

(1)

將工作面的各項數據代入式(1)中，經計算可得為了達到理想的預裂效果，鉆孔垂直方向深度需要達到第三層基本頂以上[1]。

2.2 鉆孔設計

切眼的長、寬、高分別為180 m、8 m和3.2 m，為了使動作面頂板有良好的壓裂效果，根據巖層地質條件與相關理論計算分析，將鉆孔的深度確定為40 m，將切眼的中心線作為工作面的基線，在每排分別布置2個鉆孔。

煤幫鉆孔的具體位置為巷道頂部和煤幫之間保持1.5 m～2.0 m的間距，保持45°～55°的傾角，鉆孔深度按照40 m控制，鉆孔的直徑確定為75 mm。對于老塘側的鉆孔具體位置，為巷道頂部和老塘側幫之間的距離為2.0 m～2.5 m，保持70°～80°的傾角，鉆孔深度同樣按照40 m控制，鉆孔的直徑也確定為75 mm。相鄰兩排鉆孔之間的距離為20 m，在切眼當中共布置16個孔[2]。

3 方案實施

3.1 鉆孔

在壓裂鉆孔施工過程中，鉆機采用液壓鉆機，其型號為ZYJ-1250，鉆頭直徑為75 mm。具體的鉆孔位置為巷道頂板支護較為良好且頂板巖層相對完整處。在施工開始后，先使用普通鉆頭施工，在其深度達到設計要求的開槽處以后，采用特制的開槽鉆頭實施開采。在開槽完成后，再換回普通鉆頭，在連續鉆進到下一個要求的開槽位置后，再次更換特殊的開槽鉆頭，以從下到上的順序連續鉆進，直到實際的鉆孔深度達到設計要求[3]。

3.2 水力壓裂

在鉆孔施工結束且經檢查確認合格后，盡快將其封孔，并連接壓力注水系統，準備借助高壓水為頂板巖層實施壓裂分割。封孔的施工工序和系統安裝連接見圖1，注水系統的連接和安裝見圖2。

圖1 封孔施工工序與系統安裝連接

圖2 注水系統連接與安裝

4 井下試驗

為工作面進行壓裂試驗的過程中，需對注水泵實際壓力發生的變化進行連續監測，以此為壓裂效果的綜合分析及診斷提供可靠的參考依據。根據監測結果可知，因受到地質條件與巖層性質等因素的影響，部分巖層在高壓水持續作用下產生裂縫，壓力曲線呈緊湊鋸齒狀，這說明裂縫在不斷延展時開裂的幅度并不大；部分裂縫在不斷壓裂時，由于巖層厚度存在一定不均勻性，或因為不同巖層的滲透性有所不同，注水壓力發生升降變化，使壓力曲線呈一條波浪線。另外，因部分巖層中存在原生裂縫或者是構造面，所以在注水壓裂過程中，泵站感受到的壓力會產生幅度很大的變化[4]。

通過對礦壓變化實施的觀測發現，直接頂的初次來壓步距為18.5 m，上、下兩端的來壓相對緩慢，而中間部分的來壓則比較強烈。老頂的初次來壓步距為48.6 m，在其初次來壓時間范圍內，支架的實際工作阻力有超過七成達到4 500 kN～5 500 kN，局部最大阻力可以達到6 000 kN，片幫現象比較嚴重。

對頂板巖層實施水力壓裂之后，回采推進達到2.4 m后就開始了頂板垮落，推進距離達到4.8 m后，整個直接頂垮落，推進達到12 m后，整個老頂垮落，可以看出初次垮落來壓步距為12 m。在老頂初次來壓過程中，兩幫的完整性良好，僅有一小部分產生片幫。在初次來壓過程中，支架的阻力保持在3 800 kN～4 500 kN范圍內，平均阻力值為4 150 kN，只有其額定阻力值的65%左右；工作阻力的最大值為5 575 kN，可以達到額定阻力值的87%左右，而工作阻力的最小值只有125 kN，不足額定阻力值的2%。相較于其他工作面，采用該技術的工作面，其初次來壓步距可以減小近37 m，說明這項技術的應用能有效緩解頂板承受的壓力，使初采始終保持安全穩定的狀態[5]。

5 結語

綜上所述，根據理論分析與井下實踐，當初采過程中遇到堅硬的巖層無法全部垮落時，通過對高壓水壓裂的合理應用，能對頂板上覆巖層實施切割與壓裂，使巖層整體性被破壞，減小其硬度系數，以此在回采時能順利完成垮落，減小初次來壓及周期，將大面積垮落造成的安全威脅及危害均降至最低，保證回采安全。