呂慶國(guó)

（朔州市煤炭設(shè)計(jì)研究所，山西 朔州 036002）

黨新煤礦近距離煤層下行開(kāi)采時(shí)上覆煤層會(huì)遺留保護(hù)煤柱，基本頂整體懸頂面積較大，無(wú)法及時(shí)垮落，造成下伏煤頂板掉渣、下沉現(xiàn)象頻發(fā)，煤幫鼓和底鼓較大，導(dǎo)致超前支架拉架和工作面推溜等問(wèn)題。為能夠有效緩解或消除上覆煤柱造成的強(qiáng)礦壓?jiǎn)栴}，提出煤礦井下定向長(zhǎng)鉆孔雙封單卡多點(diǎn)拖動(dòng)式分段水力壓裂頂板弱化技術(shù)，為礦區(qū)安全高效生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 工作面概況

9102 工作面位于朔州市平魯區(qū)白堂鄉(xiāng)黨家溝村東，相鄰9101 和9103 工作面。工作面回采長(zhǎng)度為1 756.4 m，工作面寬298.3 m，回采面積52.39 萬(wàn)m2。工作面平面位置圖如圖1 所示。

圖1 9102 工作面平面位置圖

9102 工作面回采9 煤層，煤層厚度1.75～1.85 m，平均1.78 m。9 煤層與上覆5 煤層平均間距14.2 m。4-3 號(hào)煤層與9 煤層、5 煤層的關(guān)系如下表1 煤層頂?shù)装鍖游凰尽?/p>

2 定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂

2.1 鉆孔布置原則

（1）鉆孔布置的合理性。結(jié)合壓裂施工點(diǎn)地質(zhì)剖面，精確確定壓裂關(guān)鍵層位，本次設(shè)計(jì)關(guān)鍵層位為基本頂砂巖。嚴(yán)格控制鉆探施工軌跡，保證壓裂施工改造層位的準(zhǔn)確性，且鉆孔水平位置盡量控制在上覆集中煤柱正下方。

（2）鉆孔質(zhì)量控制。鉆孔軌跡的平滑性，鉆孔分段壓裂設(shè)備，尤其是封孔器需在光滑、平整的鉆孔段進(jìn)行封孔坐封，方能滿足高壓注水壓裂需求。

（3）鉆孔軌跡控制。壓裂鉆孔軌跡應(yīng)規(guī)避斷層等地質(zhì)構(gòu)造影響，壓裂段位于地質(zhì)構(gòu)造影響范圍內(nèi)，易造成漏失嚴(yán)重，降低壓裂有效應(yīng)力，影響壓裂效果，降低頂板巖層弱化效果。

（4）考慮分段壓裂施工難度，鉆孔設(shè)計(jì)不宜過(guò)長(zhǎng)，一般不超過(guò)600 m。

（5）考慮壓裂設(shè)備能力，地層漏失水量，壓裂點(diǎn)不宜過(guò)長(zhǎng)，一般4～10 m；

（6）壓裂間距20～40 m，考慮工具使用壽命，單孔壓裂次數(shù)6～12 段。

2.2 壓裂層位優(yōu)選

工作面在采掘過(guò)程中底板巖層經(jīng)歷了“支承壓力集中壓縮-應(yīng)力解除膨脹-應(yīng)力恢復(fù)再壓縮”的過(guò)程，造成了底板巖層裂隙率增大，并伴隨著豎向張裂隙、層向裂隙、剪切裂隙的形成。若壓裂鉆孔布置于底板擾動(dòng)裂隙帶或接近該裂隙帶，易引起壓裂過(guò)程中增大注水的濾失性，乃至造成高壓水通過(guò)裂隙涌向上覆的5 煤采空區(qū)，造成無(wú)法起壓壓裂，延展影響巖層弱化效果。為此開(kāi)展了采空區(qū)底板破壞深度理論分析，根據(jù)煤層間距以優(yōu)選定向長(zhǎng)鉆孔布置層位，保證巖層超前弱化效果。

為確定研究區(qū)上覆5 煤層回采后，底板擾動(dòng)破壞帶發(fā)育范圍，結(jié)合5 煤層遺留煤柱寬度及聯(lián)巷規(guī)格等，根據(jù)表2 的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了計(jì)算。通過(guò)綜合安全、理論分析，5 煤底板擾動(dòng)破壞帶深度取最大值為7.83 m，根據(jù)兩層煤層間距平均14.2 m，9 煤頂板壓裂不能超過(guò)6.37 m。因此，設(shè)計(jì)9 煤層頂板6 m 的老頂細(xì)粒砂巖為壓裂鉆孔布置層位，保證壓裂裂縫延展規(guī)模，提高巖層弱化效果。

表1 煤層頂?shù)装鍖游?/p>

表2 底板破壞深度計(jì)算結(jié)果

2.3 壓裂鉆孔工程布置

針對(duì)9102 工作面上覆煤層遺留保護(hù)煤層等易發(fā)生強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)問(wèn)題位置，提出了鉆孔布置方案。布置鉆場(chǎng)1 個(gè)，設(shè)計(jì)鉆孔4 個(gè)，設(shè)計(jì)孔徑96 mm，孔口一開(kāi)96 mm 鉆進(jìn)至直接頂，二開(kāi)擴(kuò)孔153 mm，下127 mm 套管跨過(guò)巖層10 m。套管凝結(jié)后按照設(shè)計(jì)軌跡一開(kāi)96 mm 鉆進(jìn)至終孔，鉆孔壓裂目標(biāo)層位為9 煤層基本頂細(xì)粒砂巖。

方案具體設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：

方案共布置鉆場(chǎng)1 個(gè)，鉆場(chǎng)位于9102 主運(yùn)順槽20 聯(lián)巷；鉆場(chǎng)布置鉆孔4 個(gè)，單孔長(zhǎng)度270～360 m；鉆孔均位于上覆5 煤層遺留保護(hù)煤層正下方；鉆場(chǎng)內(nèi)相鄰鉆孔間距平均32 m，其中T1 與T2 間距35 m，T2 與T3 間距37.5 m，T3 與T4 間距24.6 m。鉆孔設(shè)計(jì)平面圖如圖2 所示，鉆孔施工參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 鉆孔施工參數(shù)表

2.4 水力壓裂工藝及工程施工

本次擬采用雙封單卡多點(diǎn)拖動(dòng)管柱分段水力壓裂工藝，如圖3 所示。雙封單卡多點(diǎn)拖動(dòng)式頂板分段水力壓裂技術(shù)工作原理為，當(dāng)完成定向鉆孔施工和壓裂工具串送入指定位置后，通過(guò)雙封隔器單卡壓裂目標(biāo)層位段，利用在封隔器中設(shè)計(jì)平衡泄壓通道，實(shí)現(xiàn)了高壓管柱壓裂液與封隔器壓力的平衡傳遞，保證“即壓即封、卸壓解封”的目標(biāo)。

圖3 壓裂工藝示意圖

頂板分段水力壓裂施工主要包括壓裂準(zhǔn)備階段、封孔試壓階段、高壓注水分段壓裂階段和停泵回收工具階段。準(zhǔn)備階段主要包括鉆場(chǎng)布置、水電要求、設(shè)備進(jìn)場(chǎng)、設(shè)備安裝等工序；封孔試壓階段主要包括輸送工具串、注水坐封、注水試壓等；高壓注水分段壓裂階段主要有注水壓裂施工、循環(huán)拖動(dòng)完成多段壓裂、壓裂參數(shù)監(jiān)測(cè)、甲烷及巷道壁監(jiān)測(cè)等操作；完成拖動(dòng)壓裂施工后停泵，進(jìn)行鉆孔排水，鉆機(jī)拖動(dòng)，回收壓裂工具。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 壓裂成果

以T2 為例：

第一階段（311.25～315.48 m），壓裂85 min，注水量為20.3 m3，最高壓力為20.3 MPa，最大壓降為6.78 MPa，出現(xiàn)明顯破裂4 處。

第二階段（272.90～277.13 m），壓裂51 min，注水量為35m3，最高壓力為20.28 MPa，最大壓降為3.98 MPa，出現(xiàn)明顯破裂4 處。

第三階段（242.90～247.13 m），壓裂42 min，注水量為27.0 m3，最高壓力為20.52 MPa，最大壓降為5.52 MPa，出現(xiàn)明顯破裂3 處。

分析來(lái)看，壓裂效果明顯，可達(dá)明顯破裂3～4處。

3.2 來(lái)壓步距分析

進(jìn)入煤柱前來(lái)壓時(shí)工作面推進(jìn)1610 m，直至進(jìn)入煤柱工作面推進(jìn)到1631 m 時(shí)工作面才來(lái)壓，來(lái)壓步距為21 m。經(jīng)過(guò)水力壓裂后，9#煤層頂板垮落較理想，工作面來(lái)壓為超前來(lái)壓，約超前工作面5 m。過(guò)上覆集中煤柱時(shí)采取工作面調(diào)斜的方式，機(jī)尾超機(jī)頭推進(jìn)5 m，來(lái)壓分段來(lái)壓。

4 結(jié)語(yǔ)

上覆遺留煤柱強(qiáng)礦壓治理的定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂超前弱化治理技術(shù)的應(yīng)用，降低了來(lái)壓強(qiáng)度，減緩礦壓顯現(xiàn)，有效地弱化了頂板，成功掩護(hù)了壓裂施工范圍內(nèi)工作面安全回采。