東周窯煤業綜放工作面頂煤水力壓裂技術研究

蘇 鵬

(晉能控股集團 同發東周窯煤業有限公司，山西 大同 037100)

1 工程概況

晉能控股煤業集團同發東周窯煤業有限公司位于山西省大同市左云縣玉奎堡村，目前主采的C5號煤層地面標高1 315～1 370 m，工作面標高910～990 m，煤層厚度為7.81～17.1 m，平均厚度10.92 m，含3～8層夾矸，煤層傾角為1～8°，平均傾角為4°。頂底板巖性如表1所示。

表1 煤層頂底板巖性

由于C5號煤層厚度較大，設計采用放頂煤工藝進行回采。經過現場試驗，發現頂煤冒放性較差，因此提出采用架間定向水力壓裂的方法，對難放頂煤進行預裂，以提高頂煤冒放性[1-5]。以東周窯煤業C5號煤層正在回采的8207工作面為工程背景，設計技術方案并進行工業性試驗。

2 難放頂煤架間水力壓裂方案設計

2.1 水力壓裂孔參數的確定

根據現場鉆孔資料可知，工作面上覆頂煤在0～4.5 m范圍內裂隙較為發育，而4.5 m以上區域裂隙較少，頂煤較為完整，因此計劃采用水力壓裂的方法對4.5 m以上頂煤進行壓裂。根據東周窯煤業C5煤層賦存特點及工程力學性質，確定水力壓裂范圍為1 m，設計對一個水力壓裂孔分別在6.5 m位置和7.5 m位置進行兩次水力壓力，綜合考慮現場施工的便捷性，水力壓裂鉆孔與水平方向的夾角設計為70°。

水力壓裂孔布置間距主要取決于水力壓裂的擴展半徑，由于回風巷機械設備較少，因此選擇在8207回風巷進行現場水力壓裂試驗，用于確定合理的水力壓裂鉆孔間距。如圖1所示，在8207回風巷布置6個鉆孔，其中1號、2號、4號、5號鉆孔為觀測孔，用于觀測水力壓裂情況，深度為6.4 m；3號和6號鉆孔為試驗孔，用于水力壓裂試驗，深度為8 m，鉆孔間距設計為5 m。

圖1 水力壓裂試驗孔布置示意

通過現場試驗，水力壓裂的壓力為17.1～19.6 MPa，注水時間為20 min，水力壓裂孔注水量為0.42 m3。根據現場已施工錨桿出水情況判斷，水力壓裂范圍超過16 m。綜合考慮工作面鉆孔壓裂情況，為保證水力壓裂效果，水力壓裂半徑設計為10臺液壓支架，即水力壓裂半徑取15 m，水力壓裂時高壓注水壓力取17～20 MPa。

2.2 水力壓裂孔布置方案

工作面回采期間，發現130～168號支架后方頂煤塊度大，因此選取這一區域進行初期水力壓裂試驗，綜合考慮現場施工條件，水力壓裂孔布置如圖2所示。在130號、140號、150號、160號液壓支架后方施工水力壓裂孔并進行水力壓裂，開橫切槽位置為頂煤6.5 m及7.5 m處。

圖2 水力壓裂孔

為確保水力壓裂效果，由于頂煤完整區域對高壓水保壓效果較好，因此水力壓裂孔應布置在這一區域，水力壓裂孔與水平方向夾角設計為70°，向工作面前方傾斜。

3 現場試驗

3.1 施工工藝流程

工作面液壓支架架間水力壓裂施工工藝主要分為三大步驟：

1) 水力壓裂鉆孔施工。在工作面前方施工水力壓裂孔，水力壓裂孔與水平方向夾角為70°，深度為7.5～8.7 m，直徑為50 mm。

2) 水力壓裂孔內壓裂切槽施工。水力壓裂孔施工完畢后，用開槽鉆頭進行壓裂切槽的施工，按設計在水力壓裂孔6.5 m和7.5 m位置施工壓裂切槽，具體壓裂切槽的施工位置可根據頂煤賦存狀態進行調整。

3) 封孔及高壓注水壓裂。利用封孔器進行封孔，其中封孔范圍應超過頂煤破碎帶范圍，封孔完畢后進行高壓注水壓裂，為保證水力壓裂效果，一定要將孔封死，避免卸壓。

3.2 頂煤弱化效果分析

1) 水力壓裂區域礦壓顯現規律分析。工作面回采過程中，對頂煤水力壓裂前后工作面液壓支架工作阻力進行現場監測，監測曲線如圖3所示。

圖3 工作面液壓支架工作阻力分布

如圖3(a)所示，水力壓裂前，工作面中上部液壓支架工作阻力明顯較大，而水力壓裂區域的130～160號液壓支架工作阻力普遍較小，基本在1 000～4 000 kN范圍內；如圖3(b)所示，水力壓裂后，130～160號液壓支架工作阻力明顯增大，基本在5 000～7 000 kN范圍內。由此可見，對頂煤水力壓裂后，增加了頂煤內部裂隙發育程度，當工作面向前推進時，頂煤能夠及時垮落，增大了上覆巖層活動空間，頂板巖層變形、垮落范圍隨之增大，導致相應區域內工作面液壓支架工作阻力明顯增大。

3.3 水力壓裂前后頂煤破碎狀態分析

為掌握水力壓裂效果，對水力壓裂前后頂煤塊度、放煤量及頂煤回收率進行了統計，結果表明：水力壓裂前，支架后放出的頂煤塊度較大，而水力壓裂后，支架后放出的頂煤塊度明顯減小；水力壓裂前，130～160號液壓支架范圍內，每米放煤量為1 635 t，水力壓裂后，130～160號液壓支架范圍內，每米放煤量為2 017 t，提升了23.4%；水力壓裂前，130～160號液壓支架范圍內，頂煤回收率為54.42%，水力壓裂后，130～160號液壓支架范圍內，頂煤回收率為73.69%，提升了19.27%.說明水力壓裂后，增大了頂煤裂隙發育程度，放煤高度增大，頂板上覆巖層活動空間也隨之增大，頂板上覆巖層變形、破斷后對頂煤的破煤效果更好，多方面提升了頂煤的冒放性。因此，水力壓裂后，水力壓裂范圍內，頂煤塊度變小，放煤量及頂煤回收率均明顯增加。

4 結 語

本文針對東周窯煤業C5號煤層厚度大，采用放頂煤開采時頂煤冒放性較差的問題，提出采用水力壓裂的方法，提升頂煤冒放性，采用理論分析及現場試驗的方法，確定對工作面130～168號液壓支架范圍內頂煤進行水力壓裂，水力壓裂孔與水平方向夾角為70°，深度為7.5～8.7 m，直徑為50 mm，壓裂切槽在水力壓裂孔6.5 m及7.5 m位置，水力壓裂為高壓注水壓力，取17～20 MPa。最終選取8207工作面為工程背景進行現場試驗，結果表明：水力壓裂后，支架后方頂煤塊度明顯變小，水力壓裂范圍內，每米放煤量提升了23.4%，頂煤回收率提升了19.27%，效果顯著。