周晉碧,張紅軍

(晉城煤業(yè)集團(tuán),山西 晉城 048000)

對回采工作面初采期間采空區(qū)懸頂?shù)奶幚矸椒?以往煤礦基本是采用切眼頂板退錨(索)與中深孔爆破強(qiáng)制放頂?shù)姆椒?操作安全性較差,放頂效果也難以控制。水力壓裂技術(shù)自提出以來,已在石油、天然氣及地面瓦斯抽采等領(lǐng)域廣泛利用,在煤礦堅硬頂板預(yù)裂控制方面也取得了積極進(jìn)展[1]。在回采工作面超前壓力區(qū)前方,通過高壓水力壓裂破壞堅硬頂板完整性,軟化降低頂板固有強(qiáng)度,使采空區(qū)頂板隨采隨落,縮短工作面周期來壓步距,降低周期來壓強(qiáng)度,在很大程度上削弱了周期來壓對工作面支架的沖擊,煤壁片幫垮落現(xiàn)象也得到很好控制[2]。

1 工程技術(shù)概況

晉煤集團(tuán)趙莊二號井井田面積13.426 km2,設(shè)計生產(chǎn)能力120萬t,批準(zhǔn)開采3#煤層,煤層平均厚度4.26 m。礦井采用綜采放頂煤、全部垮落法回采工藝。回采工作面順槽及切眼均沿3#煤層頂板布置。工作面直接頂為0.9 m的泥巖,強(qiáng)度為36.97 MPa,

薄層狀,均勻?qū)永?1.8 m的粉砂巖,強(qiáng)度79.29 MPa?；卷斠苑?細(xì)砂巖和細(xì)砂巖為主,平均強(qiáng)度在100 MPa左右。頂板巖層中普遍存在較多的夾層和裂隙,局部存在不同巖性的混層情況。巷道頂?shù)装鍘r層賦存特征如圖1所示。

圖1 巷道頂?shù)装鍘r層綜合柱狀圖Fig.1 Stratum histogram of roof and floor

2305綜放工作面初采期間頂板堅硬不易垮落,盡管也采用了退錨和中深孔爆破放頂措施,但頂板冒落的矸石難以充填滿采空區(qū),導(dǎo)致初采期間采空區(qū)后方懸頂面積很大,瓦斯積聚,造成初次來壓步距長、強(qiáng)度大、通風(fēng)瓦斯難以管控,曾出現(xiàn)過基本頂大面積垮落,進(jìn)風(fēng)順槽風(fēng)流逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象,給安全生產(chǎn)造成重大隱患。因此,引進(jìn)水力壓裂技術(shù)對趙莊二號井綜放面初采頂板控制具有非常重要的意義。

2 工作面地質(zhì)調(diào)查

2305綜采放頂煤工作面,設(shè)計走向長594.4 m。受構(gòu)造影響,設(shè)計分兩個階段開采,一階段切眼傾斜長110 m,二階段切眼傾斜長160 m。工作面煤層厚度 3.4～5.7 m,平均 4.4 m；煤層傾角為0°～7°,平均傾角3°；工作面埋深484.81～519.85 m,平均500 m左右；切眼掘進(jìn)斷面7.4 m×3.2 m,掘進(jìn)面積23.68 m2。在2305切眼進(jìn)行了鉆孔窺視,以8號鉆孔為例(見圖2),窺視深度41.6 m,從窺視結(jié)果來看，巷道頂板在0～1 m范圍內(nèi)裂隙較為發(fā)育,其余地段裂隙相對較少。針對趙莊二號井的實際情況及2305工作面切眼頂板性質(zhì),經(jīng)過研究決定采用水力壓裂處理工作面切眼頂板。

圖2 8號鉆孔窺視圖(鉆孔深度/m)Fig.2 No. 8 borehole image

3 壓裂方案設(shè)計

3.1 水力壓裂技術(shù)原理

水力壓裂技術(shù)是利用特殊的開槽鉆頭在普通頂板鉆孔中形成預(yù)制橫向切槽,然后對橫向切槽段封孔,注入高壓水,利用高壓水在切縫端部產(chǎn)生的集中拉應(yīng)力使裂隙在頂板巖層中擴(kuò)展,預(yù)制擴(kuò)延裂縫,從而削弱頂板的強(qiáng)度和整體性,將完整而堅硬的頂板巖層分割成多層[3-5]。伴隨著回采推進(jìn),頂板由整層的一次性垮落轉(zhuǎn)化為分層分次依次垮落,縮短初次來壓步距,降低初次來壓強(qiáng)度,達(dá)到減小或消除堅硬難垮頂板對工作面回采危害的目的,保證回采安全。

3.2 參數(shù)選取

根據(jù)2305 綜采放頂煤工作面切眼沿頂留底布置特點,對照工作面地質(zhì)綜合柱狀圖進(jìn)行理論計算,分析該工作面頂板的運(yùn)移狀態(tài),確定上位老頂回轉(zhuǎn)變形巖梁的位置。

根據(jù)下列公式計算進(jìn)入裂隙帶的老頂巖層:

將2305工作面相關(guān)數(shù)據(jù)代入上述公式,可得出第3層老頂巖梁,即12.62 m粉砂巖為巖層裂隙帶巖層,其下巖層為冒落帶巖層。最終確定壓裂鉆孔垂深應(yīng)達(dá)到第3層老頂巖梁以上。

3.3 方案設(shè)計

2305工作面一階段切眼凈寬度7.2 m,凈高度3 m,長度為110 m,為保證切頂卸壓壓裂效果,根據(jù)煤巖層綜合柱狀圖揭示情況,確定鉆孔垂直深度不小于35 m,鉆孔采用雙側(cè)布置,如圖3所示。

3-a 正面圖

3-b 俯視圖圖3 切眼水力壓裂鉆孔布置圖Fig.3 Layout of boreholes of cut-off hydraulic fracturing

工作面?zhèn)葞蛪毫雁@孔垂直巷幫,開孔位置距巷幫1.5～2.0 m,鉆孔直徑75 mm,深孔長度為40 m,傾角為45°～50°。老塘側(cè)幫鉆孔在煤柱側(cè)頂板開孔,位置距巷幫煤壁1.5～2.0 m,鉆孔長度為40 m,鉆孔直徑75 mm,鉆孔平面投影與巷道軸線方向偏斜5°,仰角角度為75°～80°。鉆孔排距為10 m,預(yù)計打設(shè)10 個鉆孔。

為保證壓裂效果,鉆孔的壓裂順序為由孔底向外,每3 m 壓裂一次?？紤]到切眼支護(hù)錨索長度為7.0 m,為防止錨索孔泄壓,壓裂孔口8 m范圍內(nèi)不進(jìn)行壓裂,每次壓裂時間不低于20 min。

3.4 施工工藝

3.4.1壓裂鉆孔打設(shè)及開槽

鉆孔施工采用ZYJ-1250型架柱式液壓鉆機(jī),鉆頭直徑為75 mm。鉆孔開孔位置選擇頂板相對完整段。先利用普通鉆頭施工至設(shè)計開槽位置,然后更換開槽鉆頭在孔底進(jìn)行開槽。完成開槽后重新?lián)Q回普通鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn),鉆進(jìn)至下一開槽位置再進(jìn)行開槽施工,直至鉆孔施工到設(shè)計深度。

3.4.2鉆孔注水壓裂

1)封孔。封孔系統(tǒng)的安裝與連接如圖4所示。

圖4 封孔系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schemata diagram of sealing system

2)高壓水力壓裂。高壓注水系統(tǒng)的安裝與連接如圖5所示。

圖5 高壓注水系統(tǒng)示意圖Fig.5 High pressure water injection system

4 井下試驗

4.1 壓裂壓力監(jiān)測

由于地質(zhì)條件不同,水力壓裂壓力曲線也會有所變化?，F(xiàn)場根據(jù)實測曲線對壓裂效果進(jìn)行診斷、分析和計算。在注水壓裂過程中,監(jiān)測泵的壓力隨時間變化的情況,如圖6所示。

6-a 壓力曲線(1)

6-b 壓力曲線(2)圖6 壓裂壓力曲線Fig.6 Fracturing pressure curve

有些壓裂在裂縫起裂后,曲線呈現(xiàn)極其緊密的鋸齒狀,表明裂縫每次都以相對較小的尺寸不斷擴(kuò)展;有些壓裂在裂縫起裂過程中,因巖層的不均勻性或是滲透率不同,泵站壓力有升有降,曲線呈現(xiàn)波浪形。在裂縫擴(kuò)展過程中還會出現(xiàn)壓力變化劇烈,可能是由于裂縫擴(kuò)展過程中遇到了原生裂隙或結(jié)構(gòu)面所致。

4.2 工作面垮落情況分析

趙莊二號井1304綜采放頂煤工作面曾委托科研院所進(jìn)行了礦壓觀測,直接頂初次跨落步距為15.5 m,工作面中部來壓較為明顯?；卷敵醮蝸韷翰骄嗥骄?7.6 m,初次來壓期間整面支架工作阻力頻度分布在3 000～4 000 kN的比例達(dá)到75%左右,最大工作阻力4 500 kN；來壓動載系數(shù)在1.26～1.91之間,平均1.57。

2305 工作面經(jīng)高壓水力壓裂后,初采推進(jìn)至2.4 m,切眼直接頂就全部垮落;初采推進(jìn)11.5 m左右,支架后基本頂全部垮落。工作面初次來壓步距在8.7～11.5 m左右,平均為10.1 m?；卷敵醮慰迓淦陂g工作面煤壁比較平直,局部有少量片幫,液壓支架最大工作阻力為4754.84 kN,為額定工作阻力的95.05%;最小工作阻力113.10 kN,為額定阻力的2.26%。來壓期間平均工作阻力為2 562.35 kN,為額定工作阻力的51.25%；初次來壓期間支架動載系數(shù)在1.11～1.56之間,平均1.38。與1304工作面初采相比,2305工作面初次來壓步距縮短了78.7%,支架動載系數(shù)降低了13.7%。

5 結(jié)論

實踐表明,綜放工作面初采采用高壓水力壓裂技術(shù),可以有效地將切眼的上部堅硬基本頂巖層進(jìn)行壓裂、弱化,在砂巖頂板中形成貫通裂隙,破壞其完整性,降低砂巖固有強(qiáng)度,使基本頂隨直接頂隨采隨落,有效控制工作面初采期間架后懸頂面積,縮短初次來壓步距,降低初次來壓強(qiáng)度,克服初次來壓對工作面液壓支架的沖擊。