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        水力預(yù)裂放頂技術(shù)在短壁回采工作面頂板控制中的應(yīng)用

        2017-05-09 08:09:50文/陳
        中國煤炭工業(yè) 2017年12期
        關(guān)鍵詞:裂孔區(qū)段水力

        文/陳 竹

        一、工作面概況

        1.工作面位置

        神華神東煤炭集團(tuán)公司榆家梁礦52煤三盤區(qū)邊角煤短壁回采工作面位于榆家梁井田東北部,地屬新民蘆草畔村和店塔張明溝村。工作面地表為黃土溝壑區(qū),地表標(biāo)高:1322~1389m,最大高差67m。工作面南部為52煤回風(fēng)、膠運(yùn)、輔運(yùn)三大巷,西部為52煤52309設(shè)計(jì)工作面未采動(dòng),北部為井田邊界,東部為52煤小窯新陽煤礦越界開采區(qū)。

        2.圍巖特征及煤層賦存情況

        工作面老頂巖性以細(xì)及中砂巖為主,屬較穩(wěn)定型(Ⅱ),直接頂巖性以泥巖為主,塊狀,致密,厚度1.30~2.37m,屬不穩(wěn)定型(Ⅰ)。底板巖性為灰褐色粉砂巖,塊狀,致密,厚度0.55~2.84m,遇水泥化,受回采塌陷地壓影響地段巷道底鼓嚴(yán)重。巷道圍巖特征如表1所示。

        表1 巷道圍巖特征表

        工作面煤層屬低變質(zhì)煙煤,黑色,條痕褐黑色,瀝青或油脂光澤,線理細(xì)條帶狀結(jié)構(gòu),硬度大,賦存穩(wěn)定,煤厚 2.2~3.0m,平均 2.8m,傾角 1°~2°,容重 1.31t/m3。后生裂隙發(fā)育,燃點(diǎn)315℃,單向抗壓強(qiáng)度為273~569(kg/cm2),堅(jiān)固系數(shù)3.5。宏觀煤巖特征:以半暗型煤為主,局部半亮型煤占優(yōu)勢(shì),光亮型及暗淡型少見,宏觀煤巖組成中亮煤及暗煤含量較高,絲炭次之。

        地層總的趨勢(shì)是以極緩的坡度向西傾斜的單斜構(gòu)造,傾角1°~2°;斷層不發(fā)育,后生裂隙發(fā)育。

        3.工作面設(shè)備配備

        (1)短壁回采工作面全部使用引進(jìn)的連采機(jī)及其配套設(shè)備施工。

        (2)選用美國JOY公司制造的12CM15-10D型連采機(jī)來完成割煤和裝煤工序,選用JOY公司制造的10SC32-48B-5型梭車來完成煤炭運(yùn)輸,利用GP460/150型破碎機(jī)完成煤炭的轉(zhuǎn)載和破碎工作,破碎機(jī)運(yùn)出的煤炭通過DSP1063/1000帶式輸送機(jī)運(yùn)出工作面到膠帶機(jī)頭經(jīng)主運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)出地面進(jìn)入原煤倉。

        (3)選用太原煤科院生產(chǎn)制造的CNMM25-4型錨桿機(jī)完成巷道支護(hù)工作,使用M.R.S.-17型線性支架來完成回采時(shí)的支護(hù)工作。

        (4)選用UN-488型鏟車來完成材料、設(shè)備的運(yùn)送和搬移,以及巷道浮煤的清理等工作。

        (5)選用無軌膠輪車完成人員、物料、設(shè)備等的輔助運(yùn)輸。

        二、水力壓裂放頂技術(shù)介紹

        1.壓裂裝置組成

        頂板水力壓裂包括封孔、高壓水壓裂、保壓注水、壓裂監(jiān)測等主要工序,該壓裂系統(tǒng)主要由以下幾部分組成:靜壓水進(jìn)水管路、高壓水泵、注水管、蓄存壓裂介質(zhì)水和油的儲(chǔ)能器、手動(dòng)泵、高壓注水膠管、高壓封孔器、壓力流量監(jiān)測儀。

        2.壓裂工藝

        采用水力壓裂技術(shù)控制煤礦堅(jiān)硬難垮頂板工藝過程如圖1所示。

        (1)采用橫向切槽的特殊鉆頭,預(yù)制橫向切槽,如圖1(a)所示,榆家梁煤礦頂板巖層不屬于堅(jiān)硬巖石,無需實(shí)施開槽作業(yè)。

        (2)利用手動(dòng)泵為封隔器加壓使膠筒膨脹,達(dá)到封孔目的,如圖1(b)所示。

        (3)連接高壓泵實(shí)施壓裂,如圖1(c)所示。

        圖1 水力壓裂控制堅(jiān)硬頂板巖層示意圖

        (4)封孔工藝流程圖如圖2所示。封孔壓力為12~16MPa,嚴(yán)格按照?qǐng)D2連接管路,保證連接處密封完好,試壓達(dá)到要求后投入使用。試壓時(shí)加壓到2~5MPa檢查密封情況。

        圖2 封孔工藝流程圖

        (5)加壓壓裂工藝流程如圖3所示。壓裂時(shí)間根據(jù)泵壓確定,泵壓穩(wěn)定后停止壓裂。

        圖3 加壓壓裂工藝流程圖

        3.施工要求

        (1)施工單位必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行施工,工程質(zhì)量要求遵從《煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)化》的規(guī)定。

        (2)工程施工期間,若遇到頂板、幫部條件不好或有異常狀況,必須及時(shí)采取加強(qiáng)支護(hù)措施。

        (3)施工期間的積水、煤渣必須及時(shí)排放至規(guī)定地點(diǎn),鉆孔和壓裂積水由排水泵通過排水管排走。

        (4)鉆孔施工要求鉆孔盡可能平直,避免大幅拐彎導(dǎo)致無法實(shí)施壓裂。

        (5)鉆孔前必須由現(xiàn)場技術(shù)人員、質(zhì)量員共同標(biāo)出鉆孔位置并編號(hào),嚴(yán)格控制打眼方位、角度。

        (6)壓裂過程中,安排專人觀測壓裂鉆孔附近頂板情況,出現(xiàn)漏水時(shí)停止此次壓裂,進(jìn)行下次壓裂。

        (7)壓裂過程中,在沒有出現(xiàn)大量漏水的情況下,壓裂時(shí)間不少于30min。

        (8)壓裂過程中,要隨時(shí)觀測頂板支護(hù)情況,出現(xiàn)錨桿或錨索斷裂時(shí),立即停止該孔壓裂,設(shè)置臨時(shí)支護(hù),另行壓裂40m范圍以外的鉆孔,并及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

        4.施工工序

        進(jìn)入工作面進(jìn)行瓦斯檢查→施工前保護(hù)原有管、纜線→鉆孔布置→鉆孔→封孔→壓裂→竣工驗(yàn)收。

        打眼機(jī)具:鉆孔采用全液壓ZDY1200S鉆機(jī)及配套鉆機(jī)平臺(tái),鉆桿為長度1.5m的Φ42mm鉆桿,采用Φ56mm鉆頭。

        5.壓裂工藝

        (1)安裝、調(diào)試工作結(jié)束后,連接注水鋼管將封孔器推送至預(yù)定位置。

        (2)手動(dòng)泵加壓封孔器,待壓力達(dá)到12~20MPa后停止加壓,觀察鉆孔并監(jiān)測壓力表,確保封孔器正常工作。

        (3)距離壓裂孔10m處拉警戒,試驗(yàn)期間除作業(yè)人員外禁止人員通行,操作人員以及作業(yè)設(shè)備應(yīng)位于支護(hù)條件良好的位置。

        (4)給高壓水泵先通水再通電,然后慢慢加壓,同時(shí)記錄水泵壓力表以及手動(dòng)泵壓力表數(shù)據(jù),繼續(xù)加壓直至預(yù)裂縫開裂。

        (5)完成單孔多次壓裂作業(yè)。

        6.壓裂過程中的頂板管理

        (1)壓裂過程中頂板與支護(hù)觀測。在短壁回采工作面實(shí)施水力壓裂作業(yè)過程中,為保證壓裂過程中頂板及人員安全,加強(qiáng)頂板管理,特制定如下安全技術(shù)措施:

        ①要對(duì)壓裂過程中及壓裂后頂板出水及變形情況進(jìn)行監(jiān)測,根據(jù)出水情況及時(shí)調(diào)整壓裂次數(shù)與壓裂位置,保證人員及頂板安全。交接班后,及時(shí)檢查壓裂頂板20m范圍內(nèi)的兩幫、頂板及支護(hù)情況,發(fā)現(xiàn)煤壁片幫或頂板離層、鱗皮等情況時(shí),必須進(jìn)行及時(shí)處理。

        ②交接班時(shí),班組長必須對(duì)壓裂后的頂板及支護(hù)等情況進(jìn)行全面檢查,確認(rèn)無危險(xiǎn)后,方可實(shí)施下次壓裂。

        ③壓裂過程中,嚴(yán)禁任何人員從壓裂孔前通過,并在壓裂孔兩側(cè)10m范圍內(nèi)設(shè)置警戒,嚴(yán)禁非壓裂人員進(jìn)入。

        ④壓裂過程中安排專人觀測壓裂孔周圍頂板變化情況,出現(xiàn)漏水較大情況時(shí),通知高壓泵操作員立即停泵,實(shí)施下次壓裂。

        ⑤壓裂過程中安排專人觀測支護(hù)變化情況,如出現(xiàn)錨索斷裂情形時(shí),立即通知高壓泵操作員,停止該孔的所有壓裂作業(yè),補(bǔ)打支護(hù)后再施工。

        (2)壓裂過程中特殊情況處理。在壓裂過程中,如遇巷道頂板有以下特殊情況的需另行處理:

        ①頂板大面積冒落,必須及時(shí)采取加強(qiáng)支護(hù)措施處理頂板。

        ②頂板離層、冒落形成網(wǎng)兜的,必須及時(shí)處理網(wǎng)兜,進(jìn)行補(bǔ)網(wǎng)、補(bǔ)打錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

        ③過往行人必須在有支護(hù)的頂板下行走,通過破碎段時(shí)應(yīng)觀察好頂板情況,確保安全后方可迅速通過。

        ④壓裂過程中,頂板涌水量增大時(shí),立即停止作業(yè),利用封孔器封孔并提前做好排水工作。有效控制涌水后方可再次實(shí)施壓裂,壓裂孔距離涌水處應(yīng)大于40m。

        三、水力壓裂放頂技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用

        在52煤三盤區(qū)邊角煤短壁回采面第二采區(qū)試驗(yàn)采用水力壓裂放頂技術(shù)管理頂板。該試驗(yàn)項(xiàng)目分為兩個(gè)階段,分述如下:

        1.第一區(qū)段水力壓裂放頂情況

        (1)巷道及鉆孔布置。第一區(qū)段面積17660m2、儲(chǔ)量6.94萬t,布置支巷8條,平均長度136m,共計(jì)1092m。

        在每個(gè)支巷聯(lián)巷內(nèi)施工1個(gè)壓裂鉆孔L和2個(gè)壓裂鉆孔S。鉆孔參數(shù)為:壓裂鉆孔—L,仰角為25°,斜長33m;壓裂鉆孔—S,仰角為48°,斜長27m。第一區(qū)段巷道布置及壓裂孔布置如圖4所示。

        圖4 第一區(qū)段巷道布置及壓裂孔布置圖

        (2)回采順序及頂板垮落情況。

        ①第一區(qū)段掘進(jìn)及回采時(shí)2條支巷為一組,如1、2支巷掘進(jìn)到位后,掘進(jìn)3、4支巷,同時(shí)對(duì)1、2支巷進(jìn)行水力壓裂;3、4支巷掘進(jìn)到位后,回采1、2支巷,同時(shí)對(duì)3、4支巷進(jìn)行水力壓裂,如此往復(fù)。

        ②第1、2支巷第一條帶回采完畢后(回采面積約1200m2),次日中午頂板初次垮落,頂板垮落較為理想,直接頂冒高4~5m,充填嚴(yán)實(shí);在隨后的回采中,頂板垮落一般滯后于采面1~3個(gè)采硐,即5~15m。

        ③回采4支巷至1聯(lián)巷口時(shí),由于在聯(lián)巷口懸頂面積較大、頂板經(jīng)過水預(yù)裂后破壞較為充分,且施工隊(duì)伍回采經(jīng)驗(yàn)不足,沒有在聯(lián)巷口留設(shè)三角煤柱支撐頂板,造成工作面頂板超前冒落,導(dǎo)致一次支架被掩埋的事故,事故發(fā)生后現(xiàn)場人員組織施救得當(dāng),沒有造成人員傷害或設(shè)備損壞現(xiàn)象。

        2.第二區(qū)段水力壓裂放頂情況

        在對(duì)第一區(qū)段水力壓裂施工后工作面頂板垮落情況進(jìn)行深入、全面的分析,并充分吸取第一區(qū)段回采的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)之后,對(duì)第二區(qū)段的壓裂鉆孔布置進(jìn)行了調(diào)整。

        (1)巷道及鉆孔布置。第二區(qū)段面積9640m2、儲(chǔ)量3.80萬t,布置支巷6條(最長116m),共計(jì)582m。

        壓裂鉆孔布置:第一區(qū)段回采完畢后,優(yōu)化了回采工藝及鉆孔布置,本著節(jié)約成本、減少鉆孔數(shù)量的原則,盡量做到水力壓裂施工與連采掘進(jìn)回采之間的平衡,對(duì)鉆孔布置進(jìn)行了優(yōu)化,從實(shí)際回采過程來看,效果很好。

        第二區(qū)段只在每條支巷邊界聯(lián)巷內(nèi)施工3個(gè)壓裂孔,即1個(gè)L孔和2個(gè)S孔,以充分破壞頂板的完整性,其他聯(lián)巷內(nèi)只布置1個(gè)L孔,同時(shí)增加L孔的長度至40m,以便其垂高能夠有效破壞頂板關(guān)鍵層。鉆孔參數(shù):壓裂鉆孔—L,仰角為25°,斜長40m;壓裂鉆孔—S,仰角為48°,斜長27m。第二區(qū)段巷道布置及壓裂孔布置如圖5所示。

        圖5 第二區(qū)段巷道布置及壓裂孔布置圖

        (2)回采順序及頂板垮落情況。

        ①為避免回采時(shí)頂板壓力集中到回采的聯(lián)巷口處,變更了支巷回采順序,按條帶順序后退回采,即6條支巷全部掘進(jìn)到位后,順序后退回采第一、第二、第三條帶。

        ②頂板第一條帶第一采塊回采完畢后(回采面積約1300m2),次日中午頂板初次垮落,頂板垮落較為理想,直接頂冒高4~5m,充填嚴(yán)實(shí);在隨后的回采中,頂板垮落一般滯后于采面1~3個(gè)采硐,即5~15m。

        ③由于回采順序的變更及回采經(jīng)驗(yàn)的豐富,回采過程中沒有再次發(fā)生壓死支架事故。

        ④雖然減少了鉆孔數(shù)量 (每條支巷減少4個(gè)S孔,減少費(fèi)用2.7萬元),但是頂板垮落效果也很好,達(dá)到了預(yù)想的優(yōu)化目的。

        四、存在問題及改進(jìn)措施

        1.水力壓裂施工與掘進(jìn)、回采工序之間的平衡需要結(jié)合實(shí)際進(jìn)行充分協(xié)調(diào),以免出現(xiàn)掘進(jìn)、回采和壓裂施工工序之間在時(shí)間和空間上的沖突,影響工作面生產(chǎn)組織。

        2.在壓裂過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)頂板順著錨索孔淋水等現(xiàn)象,究其原因是極小一部分高壓水通過頂板巖層裂隙滲向錨索孔,并通過錨索孔流出。錨索淋水不大的情況下并不影響水力壓裂效果,也不會(huì)對(duì)已施工錨索的錨固力產(chǎn)生影響。但錨索淋水勢(shì)必影響工作面質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化及煤質(zhì)管理,因此要時(shí)刻關(guān)注頂板淋水變化情況,及時(shí)采取導(dǎo)流、抽排等措施。

        3.水力壓裂頂板對(duì)頂板的破壞情況受鉆孔深度、角度、注水強(qiáng)度、注水時(shí)間、頂板狀況等多重因素影響,尤其是上覆巖層狀況變化的不確定性給頂板破壞情況的預(yù)估造成了一定的困難。但根據(jù)回采經(jīng)驗(yàn),通過優(yōu)化短壁回采工藝,合理控制回采期間煤柱留設(shè),尤其是在支巷聯(lián)巷等巷道交叉點(diǎn)留設(shè)2m左右的支撐煤柱,可使采空區(qū)頂板垮落處于可控范圍,不僅能確?;夭善陂g的安全,又能使煤柱在該支巷回采結(jié)束前被壓垮,從而確保頂板能夠及時(shí)垮落。

        五、結(jié)論

        榆家梁煤礦52煤三盤區(qū)邊角煤短壁回采面采用水力壓裂頂板技術(shù),有效解決了回采后采空區(qū)大面積懸頂?shù)膯栴},回采后頂板能夠及時(shí)垮落,減少了大面積懸頂造成的安全隱患,且該技術(shù)的應(yīng)用能顯著減少火工品的使用,從而降低相應(yīng)的安全風(fēng)險(xiǎn),對(duì)于確保工作面安全生產(chǎn)、降低生產(chǎn)成本有積極的意義,具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

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