王慶雄

(神華神東煤炭集團(tuán)公司哈拉溝煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

水力壓裂是指裂紋由于其內(nèi)部液體壓力的作用而開裂擴(kuò)展的過程。該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于石油、天然氣開采、頁巖油氣開發(fā)、煤層氣開發(fā)和地?zé)豳Y源開發(fā)等領(lǐng)域[1-4]。近年來，煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院康紅普院士及其團(tuán)隊(duì)開展了水力壓裂技術(shù)研究，包括水力壓裂機(jī)理和參數(shù)、壓裂設(shè)備器材、壓裂效果檢測(cè)等方面，將該技術(shù)應(yīng)用于煤礦堅(jiān)硬頂板控制，并在潞安、晉城、伊泰、神南、神東等礦區(qū)得到應(yīng)用，并取得良好效果[5-8]。目前，水力壓裂技術(shù)在堅(jiān)硬頂板控制主要應(yīng)用于煤礦高應(yīng)力巷道卸壓、采煤工作面上隅角懸頂防治和采煤工作面初次放頂?shù)确矫鎇9-11]。

根據(jù)神東礦區(qū)頂板條件，為確保綜采工作面初采安全，綜采工作面均需強(qiáng)制放頂，爆破強(qiáng)制放頂是傳統(tǒng)的初次放頂方式，該方法雖然能夠解決綜采工作面初采期頂板問題，但是需要大量炸藥，且爆破具有一定的安全隱患。哈拉溝煤礦作為神東煤炭集團(tuán)主力礦井之一，產(chǎn)量大，綜采工作面推進(jìn)速度快，每年大約有4～5個(gè)綜采工作面需強(qiáng)制放頂。根據(jù)近幾年水力壓裂技術(shù)在神東礦區(qū)大柳塔煤礦、錦界煤礦和補(bǔ)連塔煤礦等的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，為實(shí)現(xiàn)礦井零火工品生產(chǎn)，需在22409-3綜采工作面實(shí)施水力壓裂初次放頂試驗(yàn)，為哈拉溝煤礦水力壓裂技術(shù)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 綜采工作面概況及壓裂工藝

1.1 22409-3綜采工作面概況

哈拉溝煤礦22409-3綜采工作面煤層平均厚度4.9 m，傾角1°～3°，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬穩(wěn)定型煤層。工作面寬度152 m，切眼高度3.8 m。工作面北西為22煤中央回風(fēng)大巷，北東為22410工作面，南東為大柳塔煤礦22612、22613工作面采空區(qū)，南西為22408工作面。根據(jù)頂板巖層柱狀圖可知，直接頂為均厚13.91 m的砂質(zhì)泥巖，局部為中粒砂巖；老頂為均厚8.1 m的粗砂巖，較堅(jiān)硬，難垮落。工作面選用第1～9套DBT5.5m[ZY10000/25.5/55]二柱掩護(hù)式液壓支架，額定工作阻力10 000 kN。

1.2 水力壓裂初次放頂工藝

壓裂工藝及設(shè)備：水力壓裂初次放頂技術(shù)是在工作面切眼掘進(jìn)、支護(hù)完畢后，在綜采設(shè)備(采煤機(jī)、液壓支架和刮板運(yùn)輸機(jī)等)安裝前，在切眼正幫側(cè)對(duì)頂板巖層實(shí)施水力壓裂。水力壓裂通過在鉆孔壓裂段預(yù)制頂板裂縫，從而控制壓裂裂縫發(fā)育方向，主要起到壓裂和軟化頂板作用，從而削弱頂板的強(qiáng)度和整體性，待工作面回采后采空區(qū)能夠分層分次垮落，縮短綜采工作面初次來壓步距和來壓強(qiáng)度，避免初采期間頂板大面積垮落傷人、損壞設(shè)備事故。水力壓裂初次放頂工藝包括施工鉆孔、封孔、高壓水壓裂、保壓注水和撤除設(shè)備，施工工藝如圖1所示。

1-靜壓水進(jìn)水管路；2-高壓水泵；3-水泵壓力表；4-流量計(jì)；5-手動(dòng)泵；6-高壓供水膠管；7-手動(dòng)泵壓力表；8-水壓儀；9-接頭；10-注水鋼管；11-高壓供水膠管；12-蓄存壓裂介質(zhì)水和油的儲(chǔ)能器；13-封孔器；14-壓裂鋼管(管壁打孔)；15-預(yù)裂縫；16-下封孔器注水管；17-水力壓裂鉆孔圖1 頂板水力壓裂施工示意圖

施工步驟：①施工鉆孔。在切眼巷道正幫側(cè)施工水力壓裂鉆孔，采用ZDY1200S型全液壓鉆機(jī)施工鉆孔，鉆頭為φ56 mm；②封孔。鉆孔施工完畢后，安裝圖1示意圖連接相關(guān)設(shè)備、管路，注水鋼管將封孔器推送至預(yù)定位置(預(yù)裂縫處)，利用手動(dòng)泵加壓封孔器進(jìn)行封孔；③高壓水壓裂。封孔完畢后，給高壓水泵先通水再通電，然后慢慢加壓，同時(shí)記錄、觀測(cè)水泵壓力表及手動(dòng)泵壓裂數(shù)據(jù)，繼續(xù)加壓直至預(yù)裂縫開裂(水泵壓力表壓力突然下降)；④保壓注水。水泵壓力表壓力突然下降后，繼續(xù)注水，確保壓力穩(wěn)定，保壓注水能使裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，同時(shí)也能軟化頂板巖石；當(dāng)相鄰觀測(cè)孔、錨索處流水，停止加壓，壓裂工作結(jié)束；⑤撤除設(shè)備。壓裂工作結(jié)束后，高壓水泵先斷電后停水，封孔器泄壓，然后退出鉆孔，取出鉆桿，回收設(shè)備。為提高工作效率，鉆孔作業(yè)和壓裂作業(yè)可平行作業(yè)，作業(yè)間距應(yīng)不小于40 m。

2 水力壓裂方案設(shè)計(jì)及施工

2.1 方案設(shè)計(jì)

水力壓裂初次放頂技術(shù)目的是為了最大程度削弱頂板的整體性，使工作面回采后頂板分層及時(shí)垮落。同時(shí)，不能過度壓裂和軟化頂板，以保證工作面設(shè)備安裝安全和初次期間頂板有效管控。根據(jù)22409-3工作面頂板賦存條件、釆高等參數(shù)，確定了壓裂鉆孔角度、長(zhǎng)度、壓裂次數(shù)等參數(shù)，22409-3工作面水力壓裂設(shè)計(jì)如圖2所示。鉆孔參數(shù)為：壓裂鉆孔-S，鉆孔長(zhǎng)度36 m，傾角50°，垂深26.1 m；壓裂鉆孔-L，鉆孔長(zhǎng)度38 m，傾角25°，垂深16.2 m。壓裂鉆孔-S，-L間隔布置，間距10 m，壓裂鉆孔-S共11個(gè)，壓裂鉆孔-L共8個(gè)，鉆孔總長(zhǎng)度700 m，如圖3所示。

圖2 鉆孔布置

a-壓裂鉆孔-L；b-壓裂鉆孔-S圖3 水力壓裂鉆孔布置及鉆孔參數(shù)圖

2.2 現(xiàn)場(chǎng)施工

22409-3切眼施工鉆孔位于正幫距離底板3.5 m處，鉆孔施工時(shí)合理控制進(jìn)給力，確保同一組鉆孔軸線近似為一條直線。頂板壓裂采用單孔多次壓裂方式，從鉆孔底板逐步向孔口方向依次壓裂，孔口處壓裂位置距離孔口>4 m。壓裂時(shí)觀察壓裂處切眼巷道頂板錨索、相鄰鉆孔出水情況，出現(xiàn)錨索、錨桿斷裂情況時(shí)立即停止壓裂，調(diào)整壓裂方式，當(dāng)進(jìn)水量和出水量接近時(shí)，停止壓裂。

壓裂期間，通過觀測(cè)水壓變化分析裂縫擴(kuò)展情況。壓裂開始時(shí)，水壓增加較快，鉆孔壁開裂時(shí)水壓通常較高，隨后壓裂稍微下降，以穩(wěn)定水壓開始?jí)毫?，說明22409-3切眼頂板整體性好，裂縫不發(fā)育，大約30 min后，壓裂區(qū)域錨索開始淋水并逐漸增大，待相鄰鉆孔開始淋水且壓裂區(qū)域錨索普遍淋水時(shí)，說明壓裂半徑至少>10 m，相鄰鉆孔已貫通，此時(shí)停止壓裂。

3 水力壓裂初次放頂效果分析

3.1 水力壓裂初次放頂效果

22409-3工作面于2017年3月6日開始初采，3月8日上午，工作面推進(jìn)約12 m時(shí)，除機(jī)尾端頭20臺(tái)支架外，其他區(qū)域直接頂基本垮落完成；3月8日下午，工作面推進(jìn)約16 m時(shí)，除機(jī)尾端頭14臺(tái)支架外，其他區(qū)域直接頂基本垮落完成；3月9日上午，工作面推進(jìn)約18 m時(shí)，采空區(qū)直接頂基本全部垮落，僅剩機(jī)尾上隅角區(qū)域未完全垮落；3月10日上午，工作面推進(jìn)約23 m時(shí)，機(jī)尾上隅角區(qū)域頂板垮落。直接頂垮落從工作面中部開始，緩慢向機(jī)尾端頭側(cè)擴(kuò)展，分層逐漸垮落。3月11日，工作面推進(jìn)約37 m時(shí)，工作面初次來壓，支架阻力增大，來壓期間最大阻力44 MPa，平均35 MPa，來壓期間無明顯片幫、漏矸現(xiàn)象，支架安全閥基本無開啟，未產(chǎn)生颶風(fēng)。因此，水力壓裂初次放頂后，工作面頂板能夠及時(shí)、分層垮落，初次來壓期間礦壓顯現(xiàn)并不劇烈。

3.2 深孔爆破初次放頂效果

22409-3工作面為哈拉溝煤礦首個(gè)水力壓裂初次放頂工作面，之前工作面均采用深孔爆破初次放頂技術(shù)。選取22409-3工作面相鄰的22407工作面深孔爆破初次放頂效果進(jìn)行對(duì)比分析。22407綜采工作面賦存條件和22409-3工作面類似，工作面寬度284 m，選用鄭煤6.3 m改5.5 m[12 000 kN]二柱掩護(hù)式液壓支架167臺(tái)，支架工作阻力12 000 kN。深孔爆破鉆孔在工作面安裝前施工，待工作面推進(jìn)4～5 m時(shí)實(shí)施。鉆孔呈“一”字型分布，距離切眼副幫4 m，間距10 m，按照22 m、28 m和34 m孔深為一組循環(huán)布置，鉆孔仰角均為30°，直徑90 mm，采用水膠炸藥，裝藥量3.57 kg/m。所需材料包括水膠炸藥、導(dǎo)爆索、雷管、起爆器和PVC管等，爆炸產(chǎn)生大量有毒有害氣體，且爆炸沖擊波對(duì)工作面支架等設(shè)備損傷較大。

22407工作面采用深孔爆破初次放頂后，當(dāng)工作面推進(jìn)約13 m時(shí)，50#～123#支架采空區(qū)直接頂垮落完成；當(dāng)工作面推進(jìn)約17 m時(shí)，8#～140#支架采空區(qū)直接頂垮落完成；當(dāng)工作面推進(jìn)約22 m時(shí)，采空區(qū)直接頂基本全部垮落。直接頂垮落從工作面中部開始，緩慢向機(jī)尾端頭側(cè)擴(kuò)展，分層逐漸垮落。工作面推進(jìn)約47 m，工作面60#～150#支架阻力開始增大，但普遍<40 MPa；當(dāng)工作面推進(jìn)約61 m時(shí)，75#～150#支架普遍>35 MPa；當(dāng)工作面推進(jìn)約65 m時(shí)，35#～150#支架阻力普遍增大，40#～145#支架區(qū)域礦壓顯現(xiàn)劇烈，支架阻力普遍>45 MPa，最大達(dá)48 MPa。初次來壓期間支架安全閥普遍開啟，立柱下沉量較小，不足100 mm，由于煤壁較硬，無明顯片幫；來壓期間有颶風(fēng)出現(xiàn)，風(fēng)勢(shì)較弱。

對(duì)比22409-3工作面和22407工作面初采期間工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈程度可知，22409-3工作面初次來壓步距、來壓強(qiáng)度明顯小于22407工作面，說明水力壓裂初次放頂技術(shù)能夠更好地解決綜采工作面初采頂板安全問題。

4 結(jié)論

(1)22409-3工作面水力壓裂鉆孔參數(shù)：壓裂鉆孔-S長(zhǎng)度36 m，傾角50°，壓裂鉆孔-L長(zhǎng)度38 m，傾角25°；壓裂鉆孔-S，-L間隔布置，間距10 m。采用單孔多次壓裂方式，從鉆孔底板逐步向孔口方向依次壓裂。

(2)22409-3工作面采用水力壓裂初次放頂技術(shù)后，初次來壓步距和來壓強(qiáng)度均有所降低，有利于初采期間綜采工作面頂板管理，表明水力壓裂初次放頂技術(shù)適用于哈拉溝煤礦。

(3)水力壓裂與深孔爆破的初次放頂技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：放頂效果更好；施工均在工作面安裝前完成，不影響工作面連續(xù)回采；避免了使用火工品，安全性更高，為礦井實(shí)現(xiàn)零火工品奠定了基礎(chǔ)；不會(huì)產(chǎn)生有毒有害氣體，更加安全、環(huán)保、綠色。