15112工作面堅硬頂板水力壓裂技術研究與應用

宋 杰

（山西省高平市科興米山煤業有限公司，山西 高平 048400）

1 工程概況

山西高平科興米山煤礦15112工作面位于井田東部，工作面北部為15113準備工作面，東部為保安煤柱，南部為15111采空區，西部為15104運輸巷。工作面開采15#煤層，煤層均厚為2.7 m，煤層直接頂和基本頂巖層分別為泥巖和K2灰巖，厚度分別為1.2 m和10 m，煤層基本頂屬于堅硬巖層。工作面傾斜長度145.5 m，走向長度1227 m，采用綜合機械化開采，采高2.4～3 m，平均采高2.7 m，循環進度0.6 m，采用ZZ6800/19/38型液壓支架支護頂板。由于工作頂板屬于堅硬頂板，為防止工作面回采過程懸頂過長導致出現壓架或礦壓顯現，擬采用水力壓裂技術對堅硬頂板進行預裂。

2 水力壓裂裂縫擴展規律

水力壓裂技術主要是向鉆孔內注入高壓水，當孔內的注水壓力超出巖體的極限抗拉強度時，鉆孔孔壁會出現破裂，隨著注水流量的增大能夠使得孔內起裂裂紋逐漸向遠處擴展，進而能夠在孔壁周圍形成較大范圍的水力裂隙，水力裂隙的擴展方向與擴展區域內主應力的分布形態有直接關系[1-3]。為有效分析水力壓裂鉆孔內裂紋的擴展規律，采用UDEC數值模擬軟件建立巖體模型，在巖體內布置環向分布的均勻偽裂隙，將巖體內的偽裂隙設置為與巖體同等的抗拉強度，高壓水不會通過偽裂隙滲透。偽裂隙參數見表1。

表1 偽裂隙屬性參數表

具體本次數值模擬模型如圖1所示。模型建立后對巖體施加10 MPa的雙軸地應力，向水力壓裂鉆孔內注入高壓水，首先將水壓保持在一個較低的整數值，當觀測發現四周裂隙在該壓力無法擴展時進一步加壓至下一個整數值[4-6]，并繼續觀測四周裂隙擴展情況。

圖1 數值模擬模型示意圖

根據數值模擬結果能夠看出，鉆孔內施工水力壓裂鉆孔后，鉆孔主應力的分布特征如圖2所示。分析圖2可知，鉆孔采用水力壓裂方案后，在鉆孔水平A-A方向上的孔壁切應力達到最大值，在鉆孔豎直方向B-B方向上的切應力為最小值。據此可知，當進行水力壓裂時，在水力壓裂鉆孔孔壁B-B方向上最容易起裂。

圖2 鉆孔四周應力矢量圖

模擬中當注水壓力P小于9 MPa時，鉆孔壁在垂直B-B方向上僅能夠產生微小的裂隙，巖體在該水壓下裂隙無法擴展；進一步增大注水壓力，當注水壓力達到9 MPa時，鉆孔周圍形成的水力裂紋的起裂方向為垂直方向，與巖體的σ1平行；當注水壓力為10 MPa、注水時間為0.2 ms時，巖體裂紋張開位移量和擴展裂隙及鉆孔壁附近主應力分布如圖3。

圖3（a）中垂直軸和水平軸分別表示張拉閉合量和裂隙擴展的距離，從圖中能夠看出裂隙的張開長度約為0.5 m。圖3（b）中線條越粗表示形成的水力裂紋開度越大，從圖中能夠看出水力裂紋的開度隨著距鉆孔孔壁距離的增大而逐漸減小，且在水力裂紋尖端出現了一定的拉應力現象。在水力裂紋靠近鉆孔壁端，高壓水充滿水力裂紋且擠壓該區域的巖石，進而使得該區域內巖石內部表現出水平應力集中現象，而水力壓裂裂紋會遠離鉆孔孔壁，高壓水未充滿水力裂隙，即鉆孔壁處裂隙內的水壓接近注水壓力，而隨著裂隙的擴展，裂隙內的水壓會逐漸減小，當高壓水到達裂隙尖端時，水壓值基本達到零。

圖3 注水壓力P=10 MPa、T=0.2 ms時鉆孔周圍裂紋及主應力分布圖

為分析注水壓力對裂隙擴展速率的影響，通過數值模擬對比分析不同注水壓力下鉆孔注入壓力和裂隙擴展長度、張開量間的關系，如圖4。分析圖4可知，當注水時間一定時，隨著注水壓力的增大鉆孔周圍裂隙極限擴展長度會逐漸增大，裂隙極限張開位移也會隨著注水壓力的增大而逐漸增大。

3 水力壓裂方案及效果

3.1 水力壓裂方案

根據15112工作面堅硬頂板的具體特征，結合水力壓裂裂縫擴展規律的數值模擬結果，設計水力壓裂分三個階段。第一階段為工作面前方70 m范圍內，該范圍水力壓裂鉆孔稱為A、B孔，該階段內水力壓裂鉆孔以25 m為一組沿著煤層走向推進方向進行布置。第二階段為工作面前方25 m范圍內施工C、D類鉆孔，該類鉆孔主要在工作面前方堅硬頂板制造豎直水力裂紋。當工作面回采推進至A、B類鉆孔后，在工作面前方25 m的位置處施工下一組C類和D類鉆孔實施水力壓裂，如此循環。第三階段：隨著工作面回采作業的進行，在工作面機巷和風巷內平行施工G類鉆孔進行水力壓裂。

具體本次水力壓裂方案中的各項參數如下：

（1）水力壓裂鉆孔布置。15112工作面機巷內施工的鉆孔為A類和C類鉆孔，工作面風巷內施工的為B類和D類鉆孔，在機巷和分巷內施工的鉆孔為G類鉆孔。壓裂孔A和壓裂孔B在工作面傾斜方向上對向施工，壓裂孔A和B沿工作面推進方向均勻布置，A、B、C、D鉆孔為一組鉆孔，每組鉆孔間的間隔為25 m。G類鉆孔分為G1長孔和G2短孔，長孔和短孔交錯布置，深度均為5 m，長短孔間的間隔為5 m。具體壓裂參數及布置方式見表2和圖5。

圖5 水力壓裂鉆孔布置示意圖

表2 水力壓裂鉆孔布置參數表

（2）水力壓裂工藝。水力壓裂鉆孔施工時，采用鉆頭直徑為56 mm的鉆機鉆進。當鉆孔至預定位置時，退出鉆頭，更換切槽鉆頭，將鉆頭推進至孔底；當鉆頭到達孔底時，將鉆機緩慢推進旋轉制造橫向切槽；預制槽制造完畢后，重新更換為普通鉆頭施工至下一個預制切槽位置，如此循環直至鉆孔施工完畢。水力壓裂鉆孔采用封隔膨脹器進行封孔，封孔器可承受的注水壓力為10～12 MPa，水力壓裂時水壓在15～40 MPa范圍內，水力壓裂作業由遠及近、由外向里施工，壓裂作業時壓裂孔附近錨桿和錨索孔內出水時，必須停止壓裂作業。

3.2 效果分析

15112工作面回采期間，通過觀測液壓支架在水力壓裂前后的工作阻力分析水力壓裂效果。在工作面推進一個周期來壓步距時，水力壓裂前工作面最大支架工作阻力如圖6（a），水力壓裂后支架工作阻力如圖6（b）。

分析圖6可知，工作面采用水力壓裂方案前，支架的最大工作阻力最大達到約6900 kN，已超出支架額定阻力，存在壓架的風險，且在頂板一個周期來壓步距下支架工作阻力長期處于6500 kN以上，工作阻力富裕系數較小。當工作面采用水力壓裂方案后，頂板一個來壓步距下的最大工作阻力為5400 kN，相較于未采用水力壓裂方案前，降幅達到21.7%，此時工作面支架均處于正常狀態，支架工作阻力富裕系數相對較大。另外圖6（b）可知，工作面水力壓裂方案實施后，基本頂的周期來壓步距為25.4 m，相較未采用水力壓裂方案的45 m大幅降低。

圖6 工作面水力壓裂方案實施前后支架工作阻力曲線圖

4 結論

根據15112工作面堅硬頂板的賦存特征，通過數值模擬分析水力壓裂裂縫擴展規律，得出注水壓力與裂隙擴展長度、張開量間的關系，基于數值模擬結果進行工作面水力壓裂方案的具體設計，根據壓裂方案實施后的效果分析可知，水力壓裂處理堅硬頂板效果較好。