宗建強

（山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司長平公司，山西 晉城 048000）

1 同忻礦概況

大同煤田同忻礦區(qū)內賦存侏羅系和石炭系雙系煤層，層間距150～300 m。侏羅系煤層已開采近100年，系內煤層賦存廣泛，層位較多，煤層開采后遺留了大量煤柱。現(xiàn)礦區(qū)主采石炭系3-5#煤層，平均厚度14～25 m，采用放頂煤一次采全厚，開采后覆巖垮落運移空間大。雙系間巖層較為堅硬，抗壓強度在40～120 MPa。

同忻礦主采石炭系3-5#煤層，以8203、8202相鄰工作面為研究背景。工作面煤層厚度15.65～25.28 m，平均 21m，傾角 0～3.5°，煤層標高 790-815 m，兩工作面長度均200 m，礦井先采8203工作面。8203、8202工作面上部侏羅系14#煤層遺留煤柱，寬為40 m，高度3.4 m，埋深321.8m，遺留煤柱與8203工作面呈斜交狀態(tài)，與8202工作面呈垂直狀態(tài)，煤柱與工作面對照見圖1。其中緊鄰煤柱下方存在一厚17.5m的細砂巖，該砂巖堅硬完整，抗壓強度達80～120MPa，距煤層141.9m。

8203工作面開采過程中，礦壓顯現(xiàn)強烈，尤其在工作面開采至上覆侏羅系煤柱對應位置處，強礦壓顯現(xiàn)愈發(fā)突出。

圖1 工作面與煤柱對照關系

2 壓裂層位的確定

研究表明，作面推進至上覆煤柱對應位置處，上覆煤柱大結構的高應力集中造成高位硬厚巖層發(fā)生破斷，高位硬厚巖層大面積的破斷回轉連同上覆煤柱結構的失穩(wěn)運動是造成工作面強礦壓顯現(xiàn)的主要原因。因此，通過破壞上覆煤柱結構以減少其應力集中程度，或人為降低高位硬厚巖層的整體強度，減少其破斷步距，降低其破斷強度是控制工作面強礦壓顯現(xiàn)的兩種有效途徑[1-2]。

地面鉆井壓裂技術的原理是采用液壓泵將壓裂液注入目標層，使得在目標層內形成人工增透裂縫，與此同時也降低了巖層的整體性及其強度[3-6]。

因上覆煤柱結構受開采擾動和集中應力作用，裂隙節(jié)理高度發(fā)育，對其實施壓裂時壓裂液濾失漏液現(xiàn)象嚴重，無法達到壓裂要求，難以實現(xiàn)對上覆煤柱結構的破壞改性。上覆17.5m厚細砂巖相對完整性較好，通過對厚砂巖實施壓裂，可有效防止巖層的整體性回轉失穩(wěn)，壓裂后厚砂巖層完整性及其巖石強度大大降低，隨工作面開采及時發(fā)生垮落，同時引發(fā)煤柱上覆巖層也發(fā)生垮落，見圖2。另外，壓裂后厚砂巖層中裂隙發(fā)育程度高，在采動應力和煤柱集中應力共同作用下，裂隙更加發(fā)育，巖層破碎，在一定程度減弱了上覆應力的傳遞，從而降低了工作面的礦壓顯現(xiàn)強度。因此，確定緊鄰煤柱17.5m硬厚細砂巖為壓裂目標層。

圖2 壓裂控制機理及層位

3 鉆孔位置選擇與施工

因煤柱兩側14#煤層開采后頂板垮落，巖層失穩(wěn)破壞，在該區(qū)域內打壓裂鉆井難度大，鉆井圍巖破壞嚴重，將會導致漏液嚴重，無法實施壓裂。煤柱處上覆巖層相對較為完整，因此在距8202面940m，距進風巷道60m，正對煤柱上方，自地表垂直向下打壓裂井，壓裂井底深度400.38m。根據(jù)鉆孔工藝，首先采用Ф311mm鉆頭自地表鉆進至穩(wěn)定基巖段10m后，下入Ф244.5mm×8.94mm套管，而后采用Ф215.9mm鉆頭進行鉆進至結束，下入Ф139.7mm×7.72mm套管。在目標層內，分為A、B兩個區(qū)域進行壓裂，見圖3。

首先進行射孔在壓裂井四壁形成多個小孔，使壓裂液能夠通過小孔進行擴展，實現(xiàn)壓裂。設計各區(qū)域壓裂井的密度高達16個/m，參數(shù)見表1；壓裂主要分為兩個步驟：①選用50m3酸液進行初次壓裂，其成分為12%HCL+5%HF，通過對巖層進行溶蝕作用，降低巖石的力學性能，②采用攜砂液和510.0m3清水繼續(xù)壓裂，采用攜砂液進行壓裂的目的是為了防止裂縫閉合，增加壓裂效果。

在8202工作面地表布設檢波器監(jiān)測壓裂過程中微地震波信號以描述水壓裂縫擴展規(guī)律。檢波器埋深10cm，布置方案見圖3。

圖3 地面壓裂示意

表1 壓裂參數(shù)

采用6臺車用于承載壓裂液，2臺車用于承載石英砂，1臺儀表車；儲備壓裂清水500m3。L型水平井可以人為控制水平鉆井的掘進方向，因此可以根據(jù)壓裂需要調整鉆井方向，但L型鉆井壓裂成本高，工藝復雜，操作難度大；垂直井壓裂裂縫擴展與巖層地應力有直接關系，垂直井壓裂工藝相對簡單，在垂直井滿足裂縫擴展要求的基礎上，優(yōu)先選擇垂直井壓裂[7-10]。

4 水壓裂縫形態(tài)分析

根據(jù)壓裂監(jiān)測方案，微震監(jiān)測得到壓裂擴展規(guī)律如圖4。

圖4 裂縫擴展形態(tài)

由圖4，最終壓裂裂縫與工作面呈斜交形態(tài)，與工作面夾角約15°，裂縫向兩個相反方向分別延伸140m、120m，總長達260m。裂縫擴展范圍覆蓋了整個工作面長度，裂縫擴展效果較好。

得到壓力液的壓力與流量的線性規(guī)律見圖5，在壓力達21.7MPa時，巖石開始發(fā)生破裂，隨后降低并逐漸趨于穩(wěn)定，壓裂的持續(xù)擴展壓力約6.5MPa。壓裂完成后，耗液量為480m3。

圖5 壓裂液壓力及流量

5 水力壓裂堅硬頂板的效果

自8202工作面距上覆煤柱水平距離50～60m起，至推出煤柱50m范圍內，以中間#55支架為例，對工作面來壓特征進行分析。

8202工作面進入煤柱位置16m后，發(fā)生來壓，來壓持續(xù)步距達19m，來壓強度40～41MPa；間隔13m后，又出現(xiàn)一次來壓，但此次來壓時間短，強度低。

另外，對8202、8203工作面過煤柱期間支架阻力分布特征統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在支架工作阻力9000～18000kN區(qū)間內，8202工作面占比62.18%，8203工作面占比80.79%?？梢娊浀孛鎵毫押螅ぷ髅嬷Ъ艿氖芰顟B(tài)明顯改善。

可見相比于8203工作面，通過對緊鄰煤柱下部的硬厚巖層實施壓裂，一方面有效弱化了煤柱處的應力集中，另一方面降低了17.5m細砂巖層的整體性，預防了強礦壓的發(fā)生；8202工作面推進至煤柱影響區(qū)時的強礦壓顯現(xiàn)步距、次數(shù)及強度均明顯降低。

6 結 論

1）采用侏羅系采空區(qū)煤柱上下堅硬巖層協(xié)同壓裂控制技術對同忻煤礦8202工作面上覆堅硬頂板進行了地面水力壓裂作業(yè)，現(xiàn)場實踐表明，裂縫擴展長度達260m，覆蓋了整個工作面長度，相比于8203工作面，地面壓裂后8202工作面過煤柱期間強礦壓顯現(xiàn)僅發(fā)生1次，來壓持續(xù)步距明顯降低，工作面支架的受力狀態(tài)明顯改善。

2）現(xiàn)場實踐表明，大空間采場堅硬頂板地面壓裂精準控制技術是有效控制礦井災害的新型有效技術手段，為解決同類由堅硬頂板引起的煤礦災害的防治提供技術依據(jù)。