劉英明

（國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)，陜西 神木719300）

煤炭是我國(guó)的主要能源之一，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史成煤時(shí)期，由于地層的復(fù)合疊加及各種構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成多煤層賦存的現(xiàn)象[1-2]。為提高開(kāi)采效率，目前常用下行式開(kāi)采方法開(kāi)采煤層群，即先開(kāi)采上層煤后開(kāi)采下層煤，下行式開(kāi)采方法可較好的保證煤層的完整性，有利于巷道的維護(hù)和通風(fēng)系統(tǒng)的密閉性[3]。然而上層煤開(kāi)采后遺留下的煤柱可在下層煤中形成應(yīng)力增高區(qū)，給下層煤開(kāi)采時(shí)頂板管理帶來(lái)一定的困難，可造成圍巖剝落、支架壓死和頂板離層量過(guò)大等現(xiàn)象，當(dāng)煤層距離較近時(shí)，這種危害更加明顯[4-5]。

對(duì)于受上覆煤柱影響的工作面強(qiáng)礦壓的控制問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均進(jìn)行了相關(guān)的研究。目前其治理方法主要分為3 類：一是在下層工作面合理留設(shè)煤柱，降低應(yīng)力的集中范圍；二是加強(qiáng)工作面的支護(hù)強(qiáng)度，從而減小圍巖變形；三是采取爆破、水力壓裂等措施來(lái)對(duì)工作面頂板卸壓弱化[6-7]。然而前2 種方法存在資源浪費(fèi)過(guò)大、對(duì)礦壓的控制不佳等問(wèn)題，因此工程師和研究人員們開(kāi)始青睞第3 種方法，即卸壓弱化措施。在卸壓弱化措施中爆破法卸壓雖可使頂板破斷垮落，消除應(yīng)力集中，釋放頂板聚積的彈性能，避免堅(jiān)硬頂板大面積懸空的危害，但其工程量大、成本高、火藥用量大，危險(xiǎn)系數(shù)高、爆破產(chǎn)生CO 等有毒氣體污染井下環(huán)境，對(duì)于高瓦斯礦井安全隱患問(wèn)題更加突出[8]。而水力壓力卸壓弱化法近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用，可從根本上解決上覆煤柱應(yīng)力集中的問(wèn)題。傳統(tǒng)短鉆孔水力壓裂技術(shù)有效壓裂長(zhǎng)度短，裸眼封孔效果較差難以有效解決工作面來(lái)壓?jiǎn)栴}，尤其是200 m 以上的工作面的中部頂板，問(wèn)題更為突出，嚴(yán)重影響礦井安全高效生產(chǎn)[9-12]。

基于以上問(wèn)題，引進(jìn)的新技術(shù)，將壓裂設(shè)備小型化，并進(jìn)行井下施工條件下適應(yīng)性改造，提出了適合煤層堅(jiān)硬頂板和上覆遺留煤柱強(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)，以期能夠有效緩解或消除上覆煤柱造成的強(qiáng)礦壓?jiǎn)栴}，為礦區(qū)安全高效生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

神東煤炭集團(tuán)榆家梁煤礦位于陜西省榆林市神木縣東北部，距神木縣城25 km。井田共含42#、43#、44#和52#可采煤層，其中42#、43#、44#煤層為局部可采，52#煤層為全井田可采。目前43#和52#煤層同時(shí)開(kāi)采。42#煤層平均厚度3.68 m，43#煤層平均厚度1.78 m，兩煤層距14～22 m，屬典型的淺埋近距離煤層群開(kāi)采。目前，43202 和43203 工作面上覆42#煤層已回采完成，設(shè)計(jì)開(kāi)采43#煤層，42#煤層在跳采及房式開(kāi)采中存在遺留煤柱，在43#煤層回采過(guò)程中，出現(xiàn)支架壓死、大規(guī)模片幫、底鼓等強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)問(wèn)題。為解決以上問(wèn)題，在43202 和43203 工作面開(kāi)展定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂卸壓弱化技術(shù)，以期能夠有效緩解或消除上覆煤柱造成的強(qiáng)礦壓?jiǎn)栴}。43#煤層頂板巖性見(jiàn)表1。

表1 43#煤層頂板巖性Table 1 Roof lithology of 43# coal seam

2 定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂方案設(shè)計(jì)

2.1 基本原理

采用雙封單卡多點(diǎn)拖動(dòng)管柱分段水力壓工藝，進(jìn)行定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂施工。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)高壓管柱壓裂液與封隔器壓力平衡傳遞，保證“即壓即封、卸壓解封”的目標(biāo)。

多點(diǎn)拖動(dòng)分段壓裂施工原理圖如圖1，當(dāng)高壓壓裂液達(dá)到3 MPa 后封隔器實(shí)現(xiàn)完全坐封，繼續(xù)增壓到5 MPa 后，限流器打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)壓裂段的壓裂施工；壓裂施工過(guò)程中，高壓壓裂液不斷注入頂板巖層中，促使作用于巖層的水壓力逐漸升高，當(dāng)壓力大于巖層破裂壓力后，巖層的彈性余能以動(dòng)能形式釋放，表現(xiàn)為巖體壓縮破裂、引起振動(dòng)等動(dòng)力現(xiàn)象，促使巖層產(chǎn)生新的裂縫，破壞巖層完整性，降低其強(qiáng)度；當(dāng)完成第1 段壓裂施工后，關(guān)閉設(shè)備，排水卸壓，將封隔器拖動(dòng)至設(shè)計(jì)位置，進(jìn)行第2 段壓裂施工，依次完成設(shè)計(jì)施工段的壓裂施工，相鄰壓裂段形成三維立體連續(xù)性巖層裂縫，實(shí)現(xiàn)煤層堅(jiān)硬頂板的有效弱化。

圖1 多點(diǎn)拖動(dòng)分段壓裂施工原理圖Fig.1 Schematic diagram of multi-point drag fracturing operation

2.2 壓裂施工鉆孔布置

2.2.1 布置原則

為保證達(dá)到預(yù)期的壓裂效果，壓裂鉆孔布置應(yīng)符合以下基本原則。

1）鉆孔布置的合理性。結(jié)合壓裂施工點(diǎn)地質(zhì)剖面，確定壓裂關(guān)鍵層位，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)不易過(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)不易過(guò)長(zhǎng)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。

2.2.2 壓裂層位優(yōu)選

煤礦開(kāi)采過(guò)程中工作面底板巖層應(yīng)力發(fā)生重分布，造成底板巖層內(nèi)裂隙發(fā)育，采掘過(guò)程底板采掘擾動(dòng)有效應(yīng)示意圖如圖2。若壓裂鉆孔布置位于底板擾動(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42#煤采空區(qū)，無(wú)法起壓壓裂，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，以優(yōu)選定向長(zhǎng)鉆孔布置層位，保證巖層超前弱化效果。

圖2 底板采掘擾動(dòng)有效應(yīng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the effect of floor mining disturbance

為確定上覆42#煤層回采后，底板擾動(dòng)破壞帶發(fā)育范圍，結(jié)合42#煤層遺留煤柱寬度及聯(lián)巷規(guī)格等，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了驗(yàn)算，底板破壞嘗試計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2[13-15]。

表2 底板破壞深度計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of floor failure depth

經(jīng)驗(yàn)算后42#煤底板擾動(dòng)破壞帶平均深度為6.56 m，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，在工程中取6 m，根據(jù)42#、43#煤層平均間距16.6 m，優(yōu)先4-3 煤層頂板向上6 m處的基本頂為壓裂鉆孔布置層位，以保證壓裂裂縫規(guī)模，提高巖層弱化效果。

2.2.3 壓裂鉆孔布置方案

根據(jù)鉆孔基本布置原則和實(shí)際工程條件，43202工作面和43203 工作面共布置4 個(gè)鉆場(chǎng)，11 個(gè)鉆孔，其中43202 工作面布置1 個(gè)鉆場(chǎng)，4 個(gè)鉆孔，43203 工作面布置3 個(gè)鉆場(chǎng)，7 個(gè)鉆孔。鉆孔單孔長(zhǎng)度270～360 m，累計(jì)長(zhǎng)度3 365 m，鉆孔設(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，之后按照設(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4-3 煤層基本頂細(xì)粒砂巖。工作面壓裂鉆孔設(shè)計(jì)平面圖如圖3，工作面壓裂鉆孔設(shè)計(jì)剖面圖如圖4。

圖3 工作面壓裂鉆孔設(shè)計(jì)平面圖Fig.3 Design plan of fracturing drilling on working face

1#鉆場(chǎng)位于43202 主回撤通道，共布置4 個(gè)鉆孔，分別為T(mén)1、T2、T3、T4，相鄰鉆孔平均間距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；2#鉆場(chǎng)位于43203 主運(yùn)巷30 聯(lián)巷，共布置2 個(gè)鉆孔，分別為T(mén)5、T6，相鄰鉆孔間距20 m；3#鉆場(chǎng)位于43203 主運(yùn)巷29 聯(lián)巷，共布置3 個(gè)鉆孔，分別為T(mén)7、T8、T9，T7與T8鉆孔間距22 m，T8與T9鉆孔間距33 m；4#鉆場(chǎng)位于43203 主運(yùn)巷6 聯(lián)巷鉆場(chǎng)，共布置2 個(gè)鉆孔，分別為T(mén)10、T11，相鄰鉆孔間距37 m。依據(jù)神東布爾臺(tái)42107 和42202 工作面壓裂效果考察結(jié)果，初步設(shè)計(jì)壓裂段間距為20～30 m，壓裂段長(zhǎng)度為4.5～6.5 m，單孔壓裂6～12 段，累計(jì)壓裂82 段，鉆孔施工參數(shù)見(jiàn)表3。

圖4 工作面壓裂鉆孔設(shè)計(jì)剖面圖Fig.4 Design profile of fracturing drilling on working face

表3 鉆孔施工參數(shù)表Table 3 Drilling construction parameters

2.3 壓裂參數(shù)

1）壓裂液。壓裂液選擇清水。

2）裂縫形態(tài)。43202 及43203 工作面埋深60～150 m，根據(jù)壓裂經(jīng)驗(yàn)應(yīng)為水平裂縫為主。

3）單孔壓裂段。壓裂段間距選擇20～40 m 為宜，單孔壓裂6～12 段。

4）注水量。43203 工作面基本頂細(xì)砂巖吸水率為3.96%，按壓裂半徑15 m 估算吸水量為20 m3，因此，單段注水量25～40 m3，單孔注水量150～480 m3。

2.4 分段水力壓裂施工工藝

定向長(zhǎng)鉆孔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、水電雙通、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包括注水壓裂施工、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。井下分段水力壓裂施工如圖5。

圖5 井下分段水力壓裂施工Fig.5 Subdivision hydraulic fracturing operation downhole

3 壓裂效果考察

3.1 鉆孔壓裂曲線圖

在定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂施工中，水力壓力與流量是2 個(gè)重要參數(shù)，為考察壓裂施工的實(shí)際效果將水力壓力、流量與壓裂時(shí)間之間的關(guān)系用曲線表示，需要說(shuō)明的是，由于本次施工壓裂鉆孔數(shù)和壓裂段數(shù)均較多，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，每個(gè)鉆場(chǎng)選1 個(gè)鉆孔，分別為T(mén)2、T6、T8、T11，每個(gè)鉆孔選取中間壓裂段，即第4 壓裂段進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，鉆孔壓裂曲線圖如圖6。

從圖6 中可以看出，T2鉆孔第4 壓裂段壓裂長(zhǎng)度為4.23 m（210.45～214.68 m），總壓裂時(shí)間43 min，最大注水流量58 m3/h，最大壓力19.21 MPa，最大壓降4.28 MPa，共出現(xiàn)明顯壓裂點(diǎn)4 處；T6鉆孔第4 壓裂段壓裂長(zhǎng)度為5.23 m（117.85～123.08 m），總壓裂時(shí)間47 min，最大注水流量56 m3/h，最大壓力16.36 MPa，最大壓降3.18 MPa，共出現(xiàn)明顯壓裂點(diǎn)2 處；T8鉆孔第4 壓裂段壓裂長(zhǎng)度為5.23 m（141.60～146.83 m），總壓裂時(shí)間57 min，最大注水流量56 m3/h，最大壓力16.41 MPa，最大壓降3.36 MPa，共出現(xiàn)明顯壓裂點(diǎn)2 處；T11鉆孔第4 壓裂段壓裂長(zhǎng)度為5.23 m（147.50～152.73 m），總壓裂時(shí)間67 min，最大注水流量50 m3/h，最大壓力18.38 MPa，最大壓降3.90 MPa，共出現(xiàn)明顯壓裂點(diǎn)2 處。由以上分析可見(jiàn)T2、T6、T8、T11鉆孔的壓裂破裂點(diǎn)主要在2～4處范圍內(nèi)，最大壓裂壓力分布在16.36～19.21 MPa之間，總體來(lái)說(shuō)達(dá)到了應(yīng)有的壓裂效果。

圖6 鉆孔壓裂曲線圖Fig.6 Fracture curves of borehole

3.2 工作面礦壓觀測(cè)

3.2.1 43202 工作面礦壓觀測(cè)

43202 工作面壓裂結(jié)束后第1 周礦壓分布情況如圖7。

圖7 43202 工作面壓裂結(jié)束后第1 周礦壓分布Fig. 7 Mine pressure distribution of 43202 working face in the first week after fracturing

由圖7 可知，43202 工作面壓裂后第1 周共推進(jìn)72.8 m（1 185.9～1 258.7 m），壓力最大為45 MPa。工作面零星來(lái)壓，整體來(lái)壓不強(qiáng)烈，從111 架到150架來(lái)壓較有規(guī)律，來(lái)壓步距為6～8 m。支架前30 架和后20 架來(lái)壓不明顯。來(lái)壓期間支架無(wú)明顯下沉。

3.2.2 43203 工作面礦壓觀測(cè)

43203 工作面壓裂結(jié)束后第1 周礦壓分布如圖8。

圖8 43203 工作面壓裂結(jié)束后第1 周礦壓分布Fig. 8 Mine pressure distribution of 43203 working face in the first week after fracturing

由圖8 可知，43203 工作面壓裂結(jié)束后第1 周共推進(jìn)距離為64.5 m（368～432.5 m），來(lái)壓步距為7.2～10.4 m，工作面來(lái)來(lái)壓時(shí)最大壓力為42.7 MPa，來(lái)壓時(shí)立柱下沉不明顯，零星來(lái)壓較多但壓力不大，整體來(lái)說(shuō)來(lái)壓較規(guī)律。

4 結(jié) 論

1）針對(duì)榆家梁煤礦43202、43203 工作面開(kāi)采過(guò)程中受上覆煤柱影響，出現(xiàn)應(yīng)力升高區(qū)，工作面來(lái)壓劇烈等現(xiàn)象，提出采用定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂超前弱化技術(shù)對(duì)煤層頂板進(jìn)行卸壓弱化，優(yōu)選了壓裂層位并對(duì)壓裂鉆孔、壓裂參數(shù)等進(jìn)行了設(shè)計(jì)，共布置4 個(gè)壓裂鉆場(chǎng)，11 個(gè)壓裂鉆孔。

2）結(jié)合壓裂曲線圖及壓裂完成后工作面推進(jìn)過(guò)程中的礦壓分布圖對(duì)壓裂效果進(jìn)行了考察，所選取鉆孔的壓裂破裂點(diǎn)為2～4 處，最大壓裂壓力分布在16.36～19.21 MPa 之間，工作面來(lái)壓步距較小，來(lái)壓較為規(guī)律，總體來(lái)說(shuō)達(dá)到了應(yīng)有的壓裂效果。