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        綜放工作面初采水力預(yù)裂弱化頂板技術(shù)實(shí)踐

        2021-10-14 06:43:10楊亞超張利軍劉宏煜
        山東煤炭科技 2021年9期
        關(guān)鍵詞:支架施工

        楊亞超 張利軍 劉宏煜

        (晉能控股煤業(yè)集團(tuán)趙莊二號(hào)井,山西 長(zhǎng)治 047100)

        頂板安全事故長(zhǎng)期困擾著我國(guó)煤礦安全生產(chǎn),嚴(yán)重影響工作面生產(chǎn)效率的提升[1-2]。由于工作面初采期間頂板不易垮落,對(duì)工作面初采安全影響重大,必須進(jìn)行處理。結(jié)合趙莊二號(hào)井實(shí)際情況,計(jì)劃采用高壓水預(yù)裂技術(shù)弱化處理工作面頂板[3-4]。

        1 工作面地質(zhì)資料調(diào)查

        趙莊二號(hào)井2309工作面開(kāi)采3號(hào)煤層,煤層平均厚4.2 m,傾角平均為2°,埋深約500 m。煤層頂板結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,由砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等組成。砂質(zhì)泥巖厚10.56 m,強(qiáng)度中等;粉砂巖厚3.28 m,致密堅(jiān)硬。工作面采用綜采放頂煤開(kāi)采,采高2.5 m,放煤高度1.7 m,采面長(zhǎng)160 m,回采長(zhǎng)約1500 m。工作面切眼尺寸為7.4 m×3.2 m,掘進(jìn)面積23.68 m2。

        2309工作面北部為礦界,東部和西部均為采空區(qū),南部為采空區(qū)。工作面初采期間頂板三面處于固支狀態(tài),加之砂質(zhì)泥巖和粉砂巖頂板完整性好且頂板厚度較大,工作面初采期間不放頂煤,以及切眼巷道頂板支護(hù)強(qiáng)度較高等因素共同作用,工作面初采期間頂板不易垮落,初次來(lái)壓步距長(zhǎng),必須進(jìn)行頂板弱化處理,減小來(lái)壓步距。

        2 壓裂參數(shù)確定

        2.1 壓裂壓力分析

        地應(yīng)力是確定壓力參數(shù)的重要依據(jù),趙莊二號(hào)井做過(guò)多次地應(yīng)力測(cè)試,通過(guò)分析趙莊二號(hào)井以往地應(yīng)力資料,可知2309工作面回采區(qū)域?yàn)橹械葢?yīng)力區(qū)域,并且以水平應(yīng)力為主。最大水平應(yīng)力方向?yàn)楸逼珫|26°,水平應(yīng)力最大值為15.2 MPa,最小值為8.1 MPa,垂直應(yīng)力為11.9 MPa。結(jié)合頂板巖性分析,初步確定趙莊二號(hào)井水力預(yù)裂頂板壓力為25 MPa,試驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

        2.2 壓裂深度分析

        壓裂深度是保證壓裂效果的重要參數(shù),確定合理的壓裂深度需結(jié)合工作面開(kāi)采參數(shù)以及三帶高度進(jìn)行分析。初采水力預(yù)裂弱化頂板,從而減小初采來(lái)壓步距,故水力壓裂高度應(yīng)達(dá)到老頂位置,即必須達(dá)到工作面上三帶中的裂隙帶位置。故依據(jù)裂隙帶老頂巖梁計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)2309工作面開(kāi)采參數(shù)及頂板巖層參數(shù)計(jì)算可知,第四層7.96 m的砂巖為裂隙帶巖層,故此計(jì)算可知,初采期間水力壓裂高度不小于30 m。

        2.3 頂板巖層結(jié)構(gòu)觀測(cè)

        為了選擇合理的水力壓裂位置,需對(duì)頂板巖層結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)評(píng)估。采用鉆孔窺視的方法,對(duì)工作面切眼區(qū)域頂板巖層結(jié)構(gòu)進(jìn)行窺視。通過(guò)窺視,掌握了頂板巖層的裂隙發(fā)育情況,煤層頂板上部的砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、泥巖、砂巖等巖層結(jié)構(gòu)均較為完整,除泥巖和砂巖交界面存在短裂隙外,無(wú)明顯的裂隙聯(lián)通情況。故此確定間隔3 m,在粉砂巖、砂巖等巖層完整區(qū)域進(jìn)行壓裂,以破壞其巖層完整性,達(dá)到弱化頂板的目的。

        3 水力壓裂方案設(shè)計(jì)及施工工藝

        3.1 方案設(shè)計(jì)

        2309工作面切眼寬度為7.4 m、高3.2 m、長(zhǎng)160 m。由于初采期間工作面頂板處于三向固支狀態(tài),因此,確定在工作面切眼老塘側(cè)布置一排鉆孔切斷后方頂板,在工作面?zhèn)炔贾靡慌艍毫雁@孔弱化前方頂板,同時(shí)在工作面切眼端頭布置鉆孔,以切斷端頭頂板。鉆孔布置具體參數(shù)如圖1。

        圖1 水力預(yù)裂鉆孔布置示意圖

        (1)老塘側(cè)鉆孔。在工作面切眼頂板距老塘側(cè)巷幫1.5 m處施工一排切頂鉆孔,該鉆孔朝向老塘后方,按仰角75°~80°施工,鉆孔直徑75 mm,孔深32 m,鉆孔間距10 m,共計(jì)施工16個(gè)鉆孔。

        (2)工作面?zhèn)茹@孔。在工作面切眼頂板距工作面?zhèn)认飵? m處施工一排鉆孔,鉆孔朝向工作面切眼煤壁前方,仰角45°,鉆孔直徑同樣為75 mm,孔深45 m,鉆孔間距10 m,共計(jì)施工14個(gè)鉆孔。

        (3)端頭鉆孔。在工作面切眼實(shí)體煤側(cè)布置2個(gè)鉆孔,在距端頭側(cè)巷幫2 m位置,朝向工作面端頭側(cè)巷幫施工,仰角75°~80°施工,鉆孔直徑為75 mm,孔深32 m,間距10 m。

        3.2 壓裂參數(shù)

        水力預(yù)裂采用后退式施工,由內(nèi)向外每隔3 m壓裂一次。為了保證巷道安全,在頂板支護(hù)范圍內(nèi)(即孔口8 m)不進(jìn)行壓裂,每次壓裂時(shí)長(zhǎng)不少于20 min,初始?jí)毫巡恍∮?5 MPa,后期根據(jù)試驗(yàn)情況進(jìn)行調(diào)整。

        3.3 壓裂工藝

        實(shí)施水力壓裂,需現(xiàn)窺視鉆孔內(nèi)巖層結(jié)構(gòu),確定壓裂位置,在壓裂位置采用開(kāi)槽鉆頭進(jìn)行開(kāi)槽。鉆孔施工完畢后,安裝雙向封孔器,由內(nèi)向外,在開(kāi)槽位置進(jìn)行壓裂。封孔和壓裂工藝如圖2、圖3。

        圖2 封孔系統(tǒng)連接示意圖

        圖3 高壓注水系統(tǒng)連接示意圖

        4 工業(yè)試驗(yàn)及效果分析

        4.1 井下試驗(yàn)

        現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過(guò)程中,首先按照設(shè)計(jì)方案施工水力壓裂鉆孔,之后安裝工作面支架。由于礦井生產(chǎn)銜接調(diào)整,在工作面安裝支架完畢3個(gè)月后才進(jìn)行工作面試生產(chǎn)。因此,為了保證初采放頂效果,初采期間對(duì)工作面兩端頭順槽30 m范圍內(nèi)的巷道頂板錨索進(jìn)行了退錨處理。

        4.2 壓裂壓力監(jiān)測(cè)

        在水力預(yù)裂過(guò)程中,對(duì)水壓進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析,如圖4所示。由圖4可知,每次壓裂初期壓裂值較高,起裂壓力較大,但在起裂后裂紋逐步擴(kuò)展,之后水壓較為平穩(wěn)呈密集鋸齒狀,可見(jiàn)在恒定壓力下裂紋不斷地進(jìn)行擴(kuò)展。部分時(shí)間段水壓存在波動(dòng),甚至出現(xiàn)劇烈變化,體現(xiàn)了巖層的不均勻性,以及結(jié)構(gòu)面、地應(yīng)力等對(duì)巖體的影響。

        圖4 壓裂壓力曲線

        4.3 工作面垮落情況分析

        2309工作面于2018年11月8日進(jìn)行初采,11月11日早班,回采進(jìn)度累計(jì)2.4 m,支架后全部垮落;11月13日早班,回采進(jìn)度累計(jì)4.9 m,1~4#架后1 m未完全垮落(旁邊有木垛);11月16日早班,回采進(jìn)度累計(jì)10.5 m,支架后全部垮落;11月19日早班,回采進(jìn)度累計(jì)14.7 m,支護(hù)后全部垮落;11月22日早班,回采進(jìn)度累計(jì)18.1 m,1~68#架后全部垮落,69~73#架后約2 m未全部垮落;11月26日早班,回采進(jìn)度累計(jì)23.6 m,支架后全部垮落;11月29日早班,回采進(jìn)度累計(jì)29.6 m,支架后全部垮落。整個(gè)初采期間工作面支架壓力較為穩(wěn)定,且未出現(xiàn)安全閥開(kāi)啟現(xiàn)象,說(shuō)明采用水壓預(yù)裂后,頂板的完整性受到破壞,強(qiáng)度降低,能夠逐步垮落,對(duì)支架沖擊小。

        5 結(jié)論

        通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)可知,水壓預(yù)裂后,頂板巖層完整性遭到破壞,隨著工作面回采,頂板能夠及時(shí)垮落,工作面支架壓力較小,未出現(xiàn)安全閥開(kāi)啟現(xiàn)象,水力壓裂縮短了初次來(lái)壓步距,減弱了老頂垮落對(duì)支架的沖擊。

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