综放工作面初采水力压裂放顶技术研究

周晋碧,张红军

(晋城煤业集团,山西 晋城 048000)

对回采工作面初采期间采空区悬顶的处理方法,以往煤矿基本是采用切眼顶板退锚(索)与中深孔爆破强制放顶的方法,操作安全性较差,放顶效果也难以控制。水力压裂技术自提出以来,已在石油、天然气及地面瓦斯抽采等领域广泛利用,在煤矿坚硬顶板预裂控制方面也取得了积极进展[1]。在回采工作面超前压力区前方,通过高压水力压裂破坏坚硬顶板完整性,软化降低顶板固有强度,使采空区顶板随采随落,缩短工作面周期来压步距,降低周期来压强度,在很大程度上削弱了周期来压对工作面支架的冲击,煤壁片帮垮落现象也得到很好控制[2]。

1 工程技术概况

晋煤集团赵庄二号井井田面积13.426 km2,设计生产能力120万t,批准开采3#煤层,煤层平均厚度4.26 m。矿井采用综采放顶煤、全部垮落法回采工艺。回采工作面顺槽及切眼均沿3#煤层顶板布置。工作面直接顶为0.9 m的泥岩,强度为36.97 MPa,

薄层状,均匀层理;1.8 m的粉砂岩,强度79.29 MPa。基本顶以粉-细砂岩和细砂岩为主,平均强度在100 MPa左右。顶板岩层中普遍存在较多的夹层和裂隙,局部存在不同岩性的混层情况。巷道顶底板岩层赋存特征如图1所示。

图1 巷道顶底板岩层综合柱状图Fig.1 Stratum histogram of roof and floor

2305综放工作面初采期间顶板坚硬不易垮落,尽管也采用了退锚和中深孔爆破放顶措施,但顶板冒落的矸石难以充填满采空区,导致初采期间采空区后方悬顶面积很大,瓦斯积聚,造成初次来压步距长、强度大、通风瓦斯难以管控,曾出现过基本顶大面积垮落,进风顺槽风流逆转现象,给安全生产造成重大隐患。因此,引进水力压裂技术对赵庄二号井综放面初采顶板控制具有非常重要的意义。

2 工作面地质调查

2305综采放顶煤工作面,设计走向长594.4 m。受构造影响,设计分两个阶段开采,一阶段切眼倾斜长110 m,二阶段切眼倾斜长160 m。工作面煤层厚度 3.4～5.7 m,平均 4.4 m；煤层倾角为0°～7°,平均倾角3°；工作面埋深484.81～519.85 m,平均500 m左右；切眼掘进断面7.4 m×3.2 m,掘进面积23.68 m2。在2305切眼进行了钻孔窥视,以8号钻孔为例(见图2),窥视深度41.6 m,从窥视结果来看，巷道顶板在0～1 m范围内裂隙较为发育,其余地段裂隙相对较少。针对赵庄二号井的实际情况及2305工作面切眼顶板性质,经过研究决定采用水力压裂处理工作面切眼顶板。

图2 8号钻孔窥视图(钻孔深度/m)Fig.2 No. 8 borehole image

3 压裂方案设计

3.1 水力压裂技术原理

水力压裂技术是利用特殊的开槽钻头在普通顶板钻孔中形成预制横向切槽,然后对横向切槽段封孔,注入高压水,利用高压水在切缝端部产生的集中拉应力使裂隙在顶板岩层中扩展,预制扩延裂缝,从而削弱顶板的强度和整体性,将完整而坚硬的顶板岩层分割成多层[3-5]。伴随着回采推进,顶板由整层的一次性垮落转化为分层分次依次垮落,缩短初次来压步距,降低初次来压强度,达到减小或消除坚硬难垮顶板对工作面回采危害的目的,保证回采安全。

3.2 参数选取

根据2305 综采放顶煤工作面切眼沿顶留底布置特点,对照工作面地质综合柱状图进行理论计算,分析该工作面顶板的运移状态,确定上位老顶回转变形岩梁的位置。

根据下列公式计算进入裂隙带的老顶岩层:

将2305工作面相关数据代入上述公式,可得出第3层老顶岩梁,即12.62 m粉砂岩为岩层裂隙带岩层,其下岩层为冒落带岩层。最终确定压裂钻孔垂深应达到第3层老顶岩梁以上。

3.3 方案设计

2305工作面一阶段切眼净宽度7.2 m,净高度3 m,长度为110 m,为保证切顶卸压压裂效果,根据煤岩层综合柱状图揭示情况,确定钻孔垂直深度不小于35 m,钻孔采用双侧布置,如图3所示。

3-a 正面图

3-b 俯视图图3 切眼水力压裂钻孔布置图Fig.3 Layout of boreholes of cut-off hydraulic fracturing

工作面侧帮压裂钻孔垂直巷帮,开孔位置距巷帮1.5～2.0 m,钻孔直径75 mm,深孔长度为40 m,倾角为45°～50°。老塘侧帮钻孔在煤柱侧顶板开孔,位置距巷帮煤壁1.5～2.0 m,钻孔长度为40 m,钻孔直径75 mm,钻孔平面投影与巷道轴线方向偏斜5°,仰角角度为75°～80°。钻孔排距为10 m,预计打设10 个钻孔。

为保证压裂效果,钻孔的压裂顺序为由孔底向外,每3 m 压裂一次。考虑到切眼支护锚索长度为7.0 m,为防止锚索孔泄压,压裂孔口8 m范围内不进行压裂,每次压裂时间不低于20 min。

3.4 施工工艺

3.4.1压裂钻孔打设及开槽

钻孔施工采用ZYJ-1250型架柱式液压钻机,钻头直径为75 mm。钻孔开孔位置选择顶板相对完整段。先利用普通钻头施工至设计开槽位置,然后更换开槽钻头在孔底进行开槽。完成开槽后重新换回普通钻头继续钻进,钻进至下一开槽位置再进行开槽施工,直至钻孔施工到设计深度。

3.4.2钻孔注水压裂

1)封孔。封孔系统的安装与连接如图4所示。

图4 封孔系统示意图Fig.4 Schemata diagram of sealing system

2)高压水力压裂。高压注水系统的安装与连接如图5所示。

图5 高压注水系统示意图Fig.5 High pressure water injection system

4 井下试验

4.1 压裂压力监测

由于地质条件不同,水力压裂压力曲线也会有所变化。现场根据实测曲线对压裂效果进行诊断、分析和计算。在注水压裂过程中,监测泵的压力随时间变化的情况,如图6所示。

6-a 压力曲线(1)

6-b 压力曲线(2)图6 压裂压力曲线Fig.6 Fracturing pressure curve

有些压裂在裂缝起裂后,曲线呈现极其紧密的锯齿状,表明裂缝每次都以相对较小的尺寸不断扩展;有些压裂在裂缝起裂过程中,因岩层的不均匀性或是渗透率不同,泵站压力有升有降,曲线呈现波浪形。在裂缝扩展过程中还会出现压力变化剧烈,可能是由于裂缝扩展过程中遇到了原生裂隙或结构面所致。

4.2 工作面垮落情况分析

赵庄二号井1304综采放顶煤工作面曾委托科研院所进行了矿压观测,直接顶初次跨落步距为15.5 m,工作面中部来压较为明显。基本顶初次来压步距平均47.6 m,初次来压期间整面支架工作阻力频度分布在3 000～4 000 kN的比例达到75%左右,最大工作阻力4 500 kN；来压动载系数在1.26～1.91之间,平均1.57。

2305 工作面经高压水力压裂后,初采推进至2.4 m,切眼直接顶就全部垮落;初采推进11.5 m左右,支架后基本顶全部垮落。工作面初次来压步距在8.7～11.5 m左右,平均为10.1 m。基本顶初次垮落期间工作面煤壁比较平直,局部有少量片帮,液压支架最大工作阻力为4754.84 kN,为额定工作阻力的95.05%;最小工作阻力113.10 kN,为额定阻力的2.26%。来压期间平均工作阻力为2 562.35 kN,为额定工作阻力的51.25%；初次来压期间支架动载系数在1.11～1.56之间,平均1.38。与1304工作面初采相比,2305工作面初次来压步距缩短了78.7%,支架动载系数降低了13.7%。

5 结论

实践表明,综放工作面初采采用高压水力压裂技术,可以有效地将切眼的上部坚硬基本顶岩层进行压裂、弱化,在砂岩顶板中形成贯通裂隙,破坏其完整性,降低砂岩固有强度,使基本顶随直接顶随采随落,有效控制工作面初采期间架后悬顶面积,缩短初次来压步距,降低初次来压强度,克服初次来压对工作面液压支架的冲击。