水力压裂技术在东庞矿21222工作面顶板初次垮落应用效果研究

冀中能源股份有限公司东庞矿技术科 河北 邢台 054000

一、综述

东庞矿随着采掘战场不断向深部水平转移,煤层赋存地质条件日趋复杂。受地质条件影响,回采工作面布置困难,边角煤开采增加,同时工作面回采动压对开拓、准备巷道的影响日趋明显。21113工作面皮带巷与深部水平轨道大巷之间留有100m保护煤柱,为避免21113工作面回采影响深部水平轨道巷的稳定性在21113工作面皮带巷施工水力压裂技术,对深部水平轨道巷取得了较好的保护效果。

在水力压裂技术对大巷保护取得初步效果后,东庞矿继续开展水力压裂技术在回采工作面顶板初次垮落方面的应用研究。在21222工作面设计施工了切眼水力压裂,通过与东庞矿直接顶、老顶初次跨落时间的对比,直接顶初次跨落步距缩短5m左右,老顶初次跨落步距缩短10m左右,效果明显。

二、水力压裂设计

2.1 21222工作面概况 根据21220工作面实测资料,工作面内2号煤层沉积较稳定,结构复杂,含有一层夹矸,煤层及夹矸厚度有一定变化。煤层总厚4.1～5.4m,平均4.6m。煤层倾角为3～7°,平均为4°,煤层倾向为32～278°。工作面设计走向长681-698m,平均689m,倾斜长84-171m,平均157m,工作面底板标高-490～-530m。

为避开北f161断层,21222皮带巷掘进直至顶到北f161断层后拐90°弯后施工21222工作面切眼,与21222轨道巷贯通。21222工作面切眼设计总长165m,初掘规格为宽×中高=4.5×3.5m。

21222工作面切眼水力压裂用于弱化顶板,以达到削弱顶板完整性的目的,确保工作面初采期间顶板能够及时并分层分次垮落。

2.2 21222工作面水力压裂参数设计 东庞矿21222工作面切眼压裂钻孔布置于切眼回采侧顶板及上下端头。工作面切眼布置Q1、Q2两种类型钻孔,孔间距为14m,Q1、Q2型钻孔交错布置;其中Q1孔深36m,仰角30°,共设计钻孔12个;Q2孔深40m,仰角50°,共设计钻孔16个。工作面上下端头分别设计Y型钻孔2个,共设计钻孔4个,Y型钻孔孔深45m,仰角40°。工作面共设计钻孔32个,总设计孔深1252m。

钻孔施工采用ZDY1200S钻机,钻头直径56mm。钻孔施工完毕后,封孔、注水压裂采用倒退式压裂法,即从钻孔底部向外依次进行压裂。顶板水力压裂包括封孔、高压水压裂、保压注水三项主要工序。

钻孔施工及压裂施工可根据现场条件调整压裂位置和压裂时间,避免压裂影响巷道巷道安全。

三、实施后的效果及创新点

3.1 顶板管理 东庞矿未施工水力压裂工作面初采一般直接顶初次跨落步距14-20m,老顶初次垮落步距28-32m。21222工作面切眼采用水力压裂后,初采推进10m左右直接顶初次垮落,推进19m后老顶初次垮落。对比之前,直接顶初次垮落步距缩短5m左右,老顶初次垮落步距缩短10m左右,并且跨落更加均匀充分,解决了工作面初采期间强制放顶的安全管理难题。

3.2 瓦斯管理 采取水力压裂技术管理顶板后,直接顶、老顶初次垮落步距均明显减小,顶板垮落更加均匀,杜绝了初采期间因大面积顶板同时掉落造成隅角瓦斯突然增大、瓦斯超限的的情况,初采期间隅角瓦斯浓度始终在0.6%以下,有效的保证了矿井初采安全生产。

图1-21222工作面皮带巷水力压裂设计示意图

四、经济及社会效益

安全效益:通过“水力压裂技术研究与应用”项目在21222工作面切眼的实施,确保了工作面初采期间采空区顶板及时跨落且采空区垮落更加均匀,未出现采空区顶板大面积悬顶不落得现象,初采期间隅角瓦斯浓度始终在0.6%以下,未发生瓦斯超限等事故,为21222工作面初采期间顶板管理及瓦斯管理工作创造了良好条件。

五、推广应用情况

目前,我矿正在21219工作面切眼和2913工作面进行了水力压裂的设计施工,保证初采期间切眼及隅角顶板及时垮落,避免初采期间顶板大面积跨落造成瓦斯超限等事故。

根据矿井采掘衔接,东庞矿下一步计划逐步在各回采工作面切眼及巷道进行水力压裂,保证工作面初采期间顶板及时、均匀跨落,减小工作面回采对邻近生产系统巷道的影响。