特厚煤層堅硬頂板水力壓裂控制技術研究

劉文靜，李 剛，梁少劍，楊 琛，賀斌雷

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710054)

隨著礦井煤炭資源持續開采，在多因素、多災害耦合致災機制下，沖擊地壓礦井數量、頻次和強度將大大增加，掘進及回采期間尤為明顯，災害主要顯現為掘進迎頭煤壁片幫嚴重、頂板多次抽冒、巷道成形差、支護施工困難，誘發煤與瓦斯突出、煤層自然發火、水害等次生災害，目前，沖擊地壓已經嚴重影響工人人身安全并威脅到煤礦安全高效生產。

彬長孟村礦屬于典型的特厚堅硬頂板，這種堅硬頂板若難以及時垮落，會導致頂板內集聚大量彈性能，當懸頂面積過大且超過一定極限時，就會發生大面積垮落，造成頂板彈性能瞬間釋放，給礦井生產帶來巨大安全隱患。基于此，通過采用水力壓裂技術降低特厚堅硬頂板巖層高應力集中，以解決堅硬巖層難垮落問題[1-4]，水力壓裂的主要作用有弱化煤體儲能結構、轉移和降低應力、降低沖擊傾向性。國內研究現狀主要有：齊慶新[5]、潘俊鋒[6，7]、姜耀東[8]等對沖擊地壓的防治現狀及技術進行了深入研究；韓穎[9]分析了水力沖孔卸壓增透技術；顧合龍[10]通過爆破卸壓技術解決卸壓效率難題；王耀鋒[11]總結了水力化煤層增透技術；鄧廣哲[12]對頂板定向水力壓裂進行了研究。本文針對彬長礦區孟村煤礦401101工作面堅硬特厚頂板難垮落的現狀，采取頂板水力壓裂工藝解決頂板應力集中及懸頂問題，分析采用不同鉆孔傾角條件下現場頂板壓裂效果，為特厚煤層堅硬頂板水力壓裂技術提供一定理論技術指導，從而實現礦井安全高效開采。

1 工作面概況及開采條件

彬長礦區煤炭探明地質儲量67.29億t，煤層埋藏深、厚度大[13]。該礦區地質構造條件及工作面生產條件復雜，水、火、瓦斯、地熱等自然災害嚴重，特別是沖擊地壓問題尤為突出，沖擊地壓臨界深度約為500～600m[14，15]。401101工作面為孟村礦井401盤區布置的首個回采工作面，該煤礦為高瓦斯礦井，水文地質類型復雜，可采走向長度2090m，傾向長度180m，采用分層綜放開采，采放比為1∶2.31，工作面及巷道留有較厚底煤。401101工作面回采厚度10.5～12.0m，平均回采高度11.6m，傾角1°～8°，埋深586～800m，底板標高為+255～+325m，煤層強度較高，單軸抗壓強度達20MPa以上，普遍具有弱或強沖擊傾向性。煤層頂板為以砂質泥巖、細粒砂巖、粗粒砂巖為主的復合型頂板，底板以遇水易膨脹的鋁質泥巖為主，堅硬頂板模擬參數選取見表1。

該煤礦地質構造條件復雜，“一面多巷”的布置方式導致區段煤柱總寬度加大，對臨空巷道沖擊地壓造成不利影響，沖擊地壓目前已成為制約礦區安全生產的主要災種[13]。

2 水力壓裂鉆孔應力場分析

在水力壓裂過程中，當液體壓力超過孔壁處巖石開裂所需應力時，孔壁處開始產生裂縫。因此，裂縫的產生與液體壓力、巖層的力學性質、地應力場和鉆孔方向有關，地應力場類型是影響裂縫起裂的關鍵因素，對于逆斷層型應力場，裂縫起裂壓力隨方位角單調增加，鉆孔沿最小水平主應力方向布置時起裂壓力最小[16]。直角坐標系下孔邊應力場如圖1所示。

圖1 直角坐標系下孔邊應力場

由圖1可知，θ為x軸沿z軸逆時針轉過的角度；rw為孔的半徑。根據最大拉應力準則，其孔壁受到拉應力作用力較大，當孔壁處最大拉應力達到巖石抗拉強度時，裂縫在孔壁處起裂，縱向裂隙發育較明顯。由孔壁應力狀態可知，σθ是液體壓力p的函數。當液體壓力p逐漸增大到一定值，在孔壁θf處開始產生裂縫，θf處σmax達到最大，即：σmax=σt，裂縫開啟位置θf由下式確定：

可計算孔壁裂縫開啟壓力Pb為[17]：

Pb=(σx+σy)-2(σx-σy)cos(2θf)-

式中，Pb為孔壁裂縫開啟壓力，MPa；σmax為孔壁處最大拉應力，MPa；σθ是液體壓力p的函數；θf處產生裂縫，θf處σmax達到最大。

3 水力壓裂堅硬頂板施工工藝

3.1 鉆孔設計

為降低工作面回風巷上方堅硬頂板巖體強度及掘進期間的沖擊礦壓，有效控制頂板破裂的同時，避免給工作面的正常開采帶來影響[17]。根據該工作面地質情況以及水力壓裂理論分析結果，對其難垮落頂板進行水力壓裂鉆孔設計，頂板水力壓裂包括封孔、高壓水壓裂、保壓注水三項主要工序，依據頂板巖層結構、層厚、采高選取2種不同傾角及深度的鉆孔進行水力壓裂，對比分析壓裂效果，401101工作面壓裂鉆孔布置如圖2所示。

圖2 401101工作面壓裂鉆孔布置

水力壓裂次數為4次，壓裂期間水壓保持在18～55MPa，平均壓力為25～30MPa，單次壓裂進水量在0.5～1.5m3之間。在401101工作面回風巷副幫側1075m位置開始鉆孔設計、打孔、壓裂施工，穿過B2背斜影響段及F1斷層影響區域，至工作面停采線(2072m處)，水力壓裂鉆孔設計如圖3所示，鉆孔具體參數見表2。

圖3 水力壓裂鉆孔設計

表2 水力壓裂分析鉆孔選取參數

3.2 水力壓裂施工工藝

水力壓裂控制煤礦堅硬難垮頂板工藝過程如圖4所示，該壓裂系統主要由以下幾部分組成：靜壓水進水管路、高壓水泵、水泵壓力表、蓄存壓裂介質水和油的儲能器、手動泵、手動泵壓力表、快速連接的高壓供水膠管、封孔器。頂板水力壓裂包括封孔、高壓水壓裂、保壓注水三項主要工序。其中，封孔器：由中心管和封隔器膠筒組成水路通道。中心管注入高壓水：通向壓裂段，通過水的高壓壓裂巖孔，而封隔器與中心管形成的空間，存儲高壓水用以密封壓裂段。通過連桿將兩支封隔器相連，巖孔壓裂段處于兩支封隔器之間。注水管：注水管連接處用“O”型圈密封，拆裝方便，密封可靠，使測試效率大為提高。注水管作用主要有兩個：其一，作為連接構件將連接好的封隔系統送至鉆孔的預定位置；其二，作為加壓通道對封隔的鉆孔段進行壓裂。高壓水泵：其作用是給壓裂段加壓。為了與井下大功率防爆開關相配套，選取防爆電機參數為：電壓660/1140V，油泵流量80L/min，額定壓力62MPa。流量水壓監測儀：為實時監控測試過程，顯示、記錄和分析測試結果，實時記錄流量和壓力變化曲線。該儀器系礦用本質安全型。

圖4 水力壓裂工藝

預裂縫起裂后水壓會有所下降，繼而進入保壓階段，在這個階段，裂紋擴展的同時伴隨著新裂紋的產生，利用流量計監測流量及注入的水量，保證頂板巖層充分弱化和軟化。

4 頂板壓裂效果考察

4.1 壓裂鉆孔裂隙發育特征分析

在觀測煤體及圍巖在水力壓裂之后的裂隙裂縫情況時，本次采用防爆鉆孔窺視儀(4D超高清全智能孔內電視)在鉆孔內(壓裂孔F1、壓裂孔F66)不同位置進行裂隙發育情況探查，探查結果如圖5所示。可以看出鉆孔孔壁在壓裂位置處都有不同程度的破壞，孔內一般出現以下斜切、縱向、橫向三種裂縫，而在非壓裂位置則很少有明顯的裂隙、裂縫產生。傾角70°鉆孔的裂隙以橫向裂隙為主，說明橫向裂隙的切割阻力相比要小于縱向裂隙的切割阻力，主要是因為豎直方向上有大的自由面(回風巷壁)，且豎直方向上有重力作用，而水平方向上沒有自由面。

圖5 不同參數鉆孔裂隙發育

從現場壓裂情況看，壓裂孔時，從臨近已壓裂過的孔口出水量較多，且壓裂期間臨近孔孔口均能出水，前方未壓裂孔的出水量較少，間接說明本孔壓裂時，壓裂孔巖層之間裂隙能較好的貫穿。對比分析F1孔、F66孔壓裂效果，F1高壓水預裂鉆孔預裂頂板高度為16.3m，至老頂粗砂巖中；F66高壓水預裂鉆孔預裂頂板高度為30.3m，至老頂粗砂巖中上部位置，F66孔壓裂效果明顯好于F1孔。

4.2 壓裂前后區域能量特征分析

微震監測技術是通過觀測分析水力壓裂作業時產生的微小地震事件繪制裂縫的空間圖像，監測裂縫的發育過程，實時調整作業參數，實現水力壓裂效果最優化的過程[18]。各分區域面前、面后微震事件占比情況如圖6所示，各層位微震能量和頻次分布如圖7所示。不同區域能量級微震事件數對比統計見表3。

圖6 各分區域面前、面后微震事件占比情況

圖7 各層位微震能量和頻次分布

表3 不同區域能量級微震事件數對比統計

由圖6和圖7可知，工作面進入高壓水預裂區域后日均總能量及頻次趨于平緩；區域4日均總能量、微震頻次相比于區域3降低，401101工作面微震事件多為102J和103J能量級，合計占比達91.74%。高能量級事件較少，105J及以上能量級事件只有三次，工作面進入高壓水預裂區域后，高級別能量微震事件頻次占比顯著降低；工作面由區域2進入高壓水預裂區域3后，發生在工作面前的微震事件占比逐漸增大，微震事件逐漸由工作面后方向工作面前方轉移，表明高壓水預裂緩解了沖擊礦壓的強度及危險程度。401101工作面進入斷層影響區前，頂板內發生的微震事件主要集中于煤層頂板以上20～40m范圍，煤層頂板100m以上微震事件零星分布；工作面推采過程中頂板范圍內的微震事件在垂向上的集中位置逐漸有向下移動的趨勢。

4.3 工作面推進至預裂區前后支架工作阻力分析

401101工作面回風巷端頭33.25m范圍內(4#、7#、10#、13#、16#、19#支架)液壓支架工作阻力變化數據見表4。3月12日進入壓裂范圍區以前，工作面距F1壓裂孔23m；3月17日，工作面推進至F1壓裂孔位置，同時也進入了B2背斜構造區，來壓時，沖擊礦壓顯現強度。401101回風巷煤柱側鉆孔應力計監測，選取前三組鉆孔應力監測數據與之前未壓裂區域的鉆孔應力監測數據對比，得到距工作面不同距離時的煤柱側應力減小量變化曲線，如圖8所示。

表4 液壓支架工作阻力

圖8 鉆孔應力減少量變化曲線

由表4可知，工作面推進至距離F1孔23m位置時，沿煤巖層走向方向，回風巷端頭4#支架首先受到高壓水力預裂老頂卸壓作用和采動應力效應的雙重(耦合作用)影響，工作阻力曲線變化異常；工作面未推進至高壓水預裂區范圍前，由于老頂懸頂(或垮落不充分)因素，支架上方的8.1m頂煤未能充分受老頂的變形荷載傳遞，支架隨接頂嚴實，但未能充分受力，導致4#—19#支架工作阻力均出現較嚴重的空載現象。

當工作面推進至高壓水預裂區范圍后(3月12日以后的支架工作阻力曲線)，由于老頂受高壓水壓裂的切頂卸載效果影響，4#—19#支架受力較充分，大大降低了支架空載，當工作面推進至高壓水預裂區范圍后，回風巷端頭4#—19#支架周期來壓最大值和增載系數受高壓水預裂老頂切頂卸壓效果的影響，均有不同程度的增大，其中7#—13#支架影響最明顯，綜合說明壓裂效果顯著。

由圖7可知，當工作面推進至距測點30m左右時，相較于之前未壓裂區域的煤柱側應力，壓裂區域的三組煤柱側應力降低值開始緩慢增加；當工作面推進至距測點5m左右時，煤柱側應力降低值開始快速增加；當工作面推過測點位置后，煤柱側應力降低值有不同程度的下降，隨后基本保持穩定。煤柱側應力降低值最大為0.9～1.4MPa，與未壓裂區域相比降低了13%～20.6%；說明進行水力壓裂有效地降低了采空區礦壓向煤柱側的傳導。

5 結 論

1)壓裂孔間巖層裂隙在最小水平主應力方向上能較好地貫穿，在垂向上有效壓裂老頂效果可觀，壓裂鉆孔孔壁在壓裂位置處都有不同程度的破壞，產生斜切、縱向和橫向三種裂隙。

2)工作面進入高壓水預裂區域后，高級別能量微震事件頻次占比顯著降低，微震事件逐漸由工作面后方轉移向工作面前方，表明高壓水預裂緩解了沖擊礦壓的強度及危險程度。

3)工作面推進至高壓水預裂區范圍后，端頭范圍內頂板垮落充分，支架工作阻力峰值和增載系數普遍較未壓裂區增大，支架的空載和漏失率大大降低。