水力壓裂切頂卸壓技術(shù)應(yīng)用研究

朱波

山西焦煤西山煤電鎮(zhèn)城底礦 山西 太原 030200

1 前言

在煤炭資源開采過程中，眾多難題困擾著煤炭資源的開采，其中堅硬頂板問題是礦井面臨的重要難題，由于堅硬頂板的存在使得巷道圍巖變形量加劇，所以對于堅硬頂板進行治理對于我國煤礦開采十分重要[1，2]。目前針對堅硬頂板的治理方案均為切頂卸壓，切頂?shù)拇胧┛梢詾楸魄许擺3]、靜力切頂、水力切頂[4，5]，此前大多學(xué)者的研究主要集中在爆破切頂方向，對于水力切頂方案對的研究較少，因此本文對水力壓裂切頂卸壓進行研究，利用現(xiàn)場試驗對水力切頂卸壓的可行性進行分析，為礦井堅硬頂板的治理提供一定的參考與借鑒。

2 背景資料

鎮(zhèn)城底礦15107工作面主采15號煤，15號煤層為黑色，條痕褐黑色，金剛光澤，中—寬條帶狀結(jié)構(gòu)，斷口參差狀、階梯狀，內(nèi)生裂隙發(fā)育，層狀構(gòu)造。15號煤層普氏硬度為1.4，傾角0°～3°，煤層平均厚度為3.6m，巷道頂?shù)装鍘r性如表1所示。

表1 巷道頂?shù)装鍘r性表

支護斷面形式如圖1所示。

圖1 巷道支護斷面圖

3 水力壓裂技術(shù)及應(yīng)用分析

15107工作面回風(fēng)巷頂板巖層較為堅硬，形成大面積的懸頂，巷道圍巖變形控制難度較大，為減小懸臂梁長度，削弱覆巖應(yīng)力傳遞，利用水力壓裂對其進行切頂卸壓，工作面布置及水力壓裂位置如圖2所示。

圖2 工作面布置及水力壓裂位置圖

3.1 水力壓裂施工

水力壓裂切頂卸壓主要是通過水力能量的聚集對頂板進行預(yù)裂及弱化，使得頂板的尺寸有所降低，此時有效切斷頂板應(yīng)力的傳遞，減小巷道圍巖的受力，同時切斷采動應(yīng)力的傳遞，使采空區(qū)的頂板能夠按照設(shè)定情況進行及時垮落，從而有效限制巷道頂板覆巖的回轉(zhuǎn)下沉，降低由于頂板覆巖的旋轉(zhuǎn)下沉對巷道圍巖的影響，從而較好的緩解周期來壓等影響，降低應(yīng)力集中的同時降低支護難度，保護巷道穩(wěn)定性。

為了驗證水力壓裂切頂卸壓技術(shù)的可行性，在進風(fēng)巷進行工業(yè)化驗證，設(shè)計水力壓裂段長度500m，分別對單、雙側(cè)孔兩種不同鉆孔方案壓裂進行研究，單側(cè)、雙側(cè)鉆孔施工段長度分別為300m和200m。鉆孔壓裂參數(shù)如下所述：方案一，單側(cè)孔布置壓裂鉆孔，在進風(fēng)巷采用單排鉆孔布置，巷道布設(shè)長度為300m。 施工的順序如下：首先采用窺視儀監(jiān)測頂板巖層穩(wěn)定情況→給定壓裂參數(shù)→進行壓裂鉆孔施工→壓裂實施→壓裂效果監(jiān)測。煤柱側(cè)鉆孔采用鉆機打孔，設(shè)計鉆孔直徑為56mm， 鉆孔與巷道走向夾角為5°，鉆孔的長度為設(shè)定為41.1m，孔間距10m，每1.5m壓裂一次，壓裂過程監(jiān)測頂板變化，出現(xiàn)異常停止施工。在進風(fēng)巷采用雙側(cè)孔布置長度200m。，施工順序與單側(cè)孔相同，鉆孔直徑設(shè)定為56mm，與巷道軸線方向成45°夾角，孔間距設(shè)定為10m，每2m壓裂一次。

完成鉆孔布置后進行水力壓裂施工，水力壓裂施工可分為三個部分，分別為封孔、注入高壓水、持續(xù)注壓保水。水力壓裂示意圖如3所示。

如圖3所示：1為靜壓水進水管路；2為高壓水泵；3為水泵壓力表；4為流量計；5為手動泵；6為快速連接的高壓供水膠管；7為手動泵壓力表；8為水壓儀；9為接頭；10為注水鋼管；11為高壓供水膠管；12為儲能器；13為封孔器；14為壓裂鋼管；15為預(yù)裂縫；16下封孔器注水管；17為水力壓裂鉆孔。

圖3 水力壓裂示意圖

對井下正式施工鉆孔作業(yè)，完成全部鉆孔及壓裂作業(yè)共計劃分時間64天，其中不包括鉆機進場及壓裂前期準(zhǔn)備時間。分別在1240～1040m 范圍內(nèi)施工200m的單排孔，在1040～840m的范圍內(nèi)施工200m的雙排孔200m，在840～740m范圍內(nèi)施工100m單排孔。施工總長度為500m，為了在完全結(jié)束壓裂施工后，對壓裂效果進行研究，分別在工作面進風(fēng)巷的單側(cè)孔段設(shè)置1#測站、在雙側(cè)孔段設(shè)置2#測站，在單排孔末端設(shè)置3#測站，共計布置3組測站。

壓裂現(xiàn)場采用單孔多次后退式壓裂，設(shè)定每隔2～3m進行一次壓裂，單個孔壓裂次數(shù)約為10～13次，當(dāng)壓裂至距孔口13m的位置停止壓裂。具體的水力壓裂流程為連接封孔器→鉆孔接注水管→通高壓水泵→進行封孔加壓→注水壓裂→相鄰孔出水或注液30分鐘停泵→泄壓→開始第二段壓裂→循環(huán)壓裂。

3.2 壓裂效果分析

對三個測站回采期間的巷道表面位移變形量進行分析，繪制巷道頂?shù)装寮皟蓭臀灰屏侩S回采工作面距離變化曲線如圖4所示。

圖4 巷道圍巖變形曲線

從圖4可以看出，在1#測站回采期內(nèi)，此時巷道頂板的下沉量為52mm，巷道底板的底鼓量為144mm，巷道左幫移近量和右?guī)鸵平糠謩e為72mm、15mm，兩幫移近量為87mm，此時經(jīng)過單排孔水力壓裂后進風(fēng)巷圍巖的整體變形量偏小，同時由于巷道右?guī)蜑榛炷翂?，所以變形量幾乎可以忽略，能夠滿足正?；夭尚枰挥^察2#測站回采期間巷道圍巖的變形量可以看出，頂板下沉量為43mm，底鼓量為107mm，巷道兩幫的移近量為71mm，在進行雙排孔壓裂時，此時巷道圍巖變形程度比單排孔壓裂時更??；觀察3#測站回采期間巷道變形量，可以看出此時頂板下沉量為66mm，底鼓量為168mm，兩幫移近量為104mm，可以看出3#礦壓測站整體變形量仍然不大，雖然較1#和2#測站變形略有增加。但仍處于可控狀態(tài)，所以水力壓裂達到了預(yù)期的效果，方案可行。

4 結(jié)論

基于煤礦實際地質(zhì)情況，對水力壓裂切頂卸壓技術(shù)進行研究，首先對切頂卸壓機理進行分析，給出了水力壓裂過程施工具體步驟，通過對鉆孔布置，試驗段等分析，設(shè)計了水力壓裂切頂卸壓具體的施工方案，同時為了對切頂卸壓效果進行分析，設(shè)定3個監(jiān)測站，對巷道圍巖變形進行監(jiān)測，通過對測站監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，巷道圍巖變形量均處于可控范圍內(nèi)，水力壓裂切頂方案可行。