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        綜采工作面切眼水力壓裂放頂研究與實(shí)踐

        2022-11-05 10:17:16韓陽紅吳健偉
        山東煤炭科技 2022年10期
        關(guān)鍵詞:裂孔示意圖水力

        韓陽紅 吳健偉

        (1.山西陽城陽泰集團(tuán)竹林山煤業(yè)有限公司,山西 陽城 048105;2.晉城華友機(jī)電設(shè)備有限公司,山西 晉城 048000)

        煤礦堅(jiān)硬頂板巖石強(qiáng)度高,短期內(nèi)不易垮落,一旦垮落,常造成設(shè)備損壞或瓦斯事故[1-3]。我國(guó)堅(jiān)硬難垮頂板的煤層超30%[4,5],主要以深孔爆破為主方法控制,但其瞎炮和殘炮處理困難,震動(dòng)危害性大,頂板垮落面積難以控制,且易誘導(dǎo)瓦斯事故。定向水力壓裂技術(shù)可有效解決深孔爆破技術(shù)面臨的技術(shù)難題[4,6]。

        基于傳統(tǒng)爆破控頂技術(shù)弊端及水力壓裂技術(shù)優(yōu)勢(shì),山西陽城竹林山煤業(yè)有限公司采用定向水力壓裂法開展1404 工作面切眼初次放頂實(shí)踐。

        1 概況

        竹林山煤業(yè)為高瓦斯礦井,3 號(hào)煤層為現(xiàn)采煤層,位于山西組中下部,上距下石盒子組底砂巖(K8)約26.58 m,下距K7 砂巖約9.58 m。煤層平均厚4.48 m,為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。煤層偽頂為碳質(zhì)泥巖,直接頂為泥巖或砂質(zhì)泥巖,厚7.92~8.49 m,平均8.12 m。偽頂及直接頂板較松軟,偽頂隨煤垮落,基本頂較穩(wěn)定,一般不易冒落,在開采后3~5 d 自然零星冒落?;卷敿?xì)砂巖干燥狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度為30.70 MPa,單向抗拉強(qiáng)度為1.20 MPa,抗剪強(qiáng)度4.46 MPa,凝聚力4.93 MPa,內(nèi)摩擦角38°36′,屬中等堅(jiān)硬巖石。1404 工作面地表基本為山地,無地面建筑設(shè)施,蓋山厚度為395~420 m,平均為405 m。

        未采用強(qiáng)制措施處理堅(jiān)硬頂板前,1404 運(yùn)輸順槽北部1405 工作面采空區(qū)回風(fēng)巷基本頂無法正常垮塌,450~700 m 處出現(xiàn)底鼓、兩幫移近現(xiàn)象,部分巷道變形較大,底鼓最大量超過2.0 m,移近量最大達(dá)到1.8 m。同時(shí),機(jī)頭超前段受橫向(東部)和縱向(北部)應(yīng)力疊加的影響,超前段頂板下沉量最大已超過2.0 m,兩幫移近量最大已超過2.0 m,超前支護(hù)困難。

        2 水力壓裂設(shè)計(jì)

        根據(jù)頂板巖層結(jié)構(gòu)、巖層厚度、巖性及采高共布置3 種類型的水力壓裂鉆孔,分別為L(zhǎng)、S 和H 孔。L 孔和S 孔各8 個(gè),兩順槽H 孔12 個(gè),切眼內(nèi)H孔11 個(gè)。鉆孔設(shè)計(jì)示意圖如圖1。

        圖1 鉆孔設(shè)計(jì)示意圖(m)

        1404 運(yùn)輸順槽鉆孔設(shè)計(jì):從1404 工作面切眼煤柱往外9.5 m 處布置第1 個(gè)壓裂鉆孔H4 孔,距左幫煤柱1 m 處,第2、第3 及第4 個(gè)鉆孔間距為10 m,長(zhǎng)度為終孔垂直距離19.0 m;在右側(cè)可采幫距切眼5 m 處施工第1 個(gè)壓裂孔H6,相距15 m 施工第2 個(gè)鉆孔,長(zhǎng)度為終孔垂直距離1 m。H 孔設(shè)計(jì)如圖2,設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

        圖2 運(yùn)輸順槽H 孔設(shè)計(jì)示意圖(m)

        表1 運(yùn)輸順槽H 孔設(shè)計(jì)參數(shù)

        1404 切眼內(nèi)鉆孔設(shè)計(jì):從距運(yùn)輸順槽往里3 m處施工第1 個(gè)鉆孔S 孔,間距10 m 施工第2 個(gè)L孔,以此類推重復(fù)布滿整個(gè)工作面,用L、S 表示。L、S 孔施工在切眼距煤幫1 m 處,切眼內(nèi)H-7 孔第1 個(gè)鉆孔開孔位置距運(yùn)輸順槽可采幫13 m,距切眼內(nèi)回采幫1.5 m 處,第2 至第11 個(gè)鉆孔間距分別為10 m。L、S 和H 孔長(zhǎng)度為終孔垂直距離19 m。切眼內(nèi)鉆孔設(shè)計(jì)如圖3、4,參數(shù)見表2。

        表2 切眼內(nèi)L、S 及H 孔設(shè)計(jì)參數(shù)

        圖3 切眼內(nèi)L、S 孔設(shè)計(jì)示意圖(m)

        1404 回風(fēng)順槽鉆孔設(shè)計(jì):從切眼煤柱往外9.5 m 處布置第1 個(gè)鉆孔H 孔,距右?guī)兔褐? m 處,第2 至第4 個(gè)鉆孔間距為10 m;在左側(cè)可采幫距切眼5 m 處施工第1 個(gè)鉆孔H 孔,相距10 m 施工第2個(gè)鉆孔。長(zhǎng)度均為終孔垂直距離19.0 m。回風(fēng)順槽H 鉆孔設(shè)計(jì)如圖5,設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

        圖4 切眼內(nèi)H 孔設(shè)計(jì)示意圖(m)

        圖5 回風(fēng)順槽H 孔設(shè)計(jì)示意圖(m)

        表3 回風(fēng)順槽H 孔設(shè)計(jì)參數(shù)

        3 水力壓裂工藝

        (1)采用Φ55 mm 的加強(qiáng)鉆頭,鉆孔鉆進(jìn)穿過最上部堅(jiān)硬巖層0.6~1.0 m 時(shí)停止鉆進(jìn),如圖6(a)。(2)將跨式鉆孔封隔器分別與高壓注水鋼管和注水膠管連接,將封隔器推進(jìn)至孔底水力壓裂段,如圖6(b)。(3)連接儲(chǔ)能器和手動(dòng)泵將其送至鉆孔中的膠管的另一端,進(jìn)行封孔,手動(dòng)泵封孔所需壓力約15.0 MPa,如圖6(c)。(4)采用高壓纏繞膠管將高壓泵與高壓注水鋼管連接,開啟高壓泵,高壓水進(jìn)入封孔段,封孔段起裂后水壓會(huì)有所下降,繼而進(jìn)入保壓階段(約30 min)。在這個(gè)階段,裂紋擴(kuò)展的同時(shí)伴隨著新裂紋的產(chǎn)生,如圖6(d)。(5)前一段壓裂完成后,卸載高壓注水管路壓力,再卸注水膠管壓力。(6)將封隔器后退至同一鉆孔中的下一個(gè)壓裂段(后退式壓裂),重復(fù)(2)~(5),直至將整個(gè)鉆孔需要的壓裂段全部壓裂完成。

        圖6 水力壓裂施工工藝流程圖

        4 水力壓裂泵柱選型

        水力壓裂泵選型:已有研究認(rèn)為裂隙張開位移多介于1.2~2.2 mm,中粒砂巖滲透率變化范圍為70~100 mD[5,6],本次取100 mD,裂隙張開位移0.002 m;基本頂抗壓強(qiáng)度30.7 MPa,凝聚力4.93 MPa,內(nèi)摩擦角38°36′。第三主應(yīng)力根據(jù)礦井經(jīng)驗(yàn)估算,采用σz=0.028 90H+2.546 2 計(jì)算,目前1404 工作面煤層埋深約為405 m,可計(jì)算第三主應(yīng)力值為14.2 MPa。根據(jù)礦井經(jīng)驗(yàn),初始裂隙壓力取0.1 MPa,結(jié)合上述參數(shù),依據(jù)下式計(jì)算水力致裂壓力[7]:

        可知:壓裂泵的壓力應(yīng)大于31.0 MPa,選用最大壓力可達(dá)62.0 MPa、流量為80 L/min 的壓裂泵,可滿足壓裂要求。

        5 壓裂效果

        1404 工作面切眼及鄰近上下兩巷每個(gè)鉆孔自孔底開始封孔并進(jìn)行水力致裂,間隔3.0 m 致裂1 次,壓裂截止至錨索安裝高度即垂直高度7.0 m,可得L、S 和H 孔都需壓裂5 次。致裂結(jié)束的判定標(biāo)準(zhǔn)為壓裂孔周邊(鉆孔)涌水明顯或壓裂時(shí)長(zhǎng)30 min。

        39 個(gè)壓裂孔中,除5 個(gè)壓裂孔壓裂失效外(鄰近孔冒水嚴(yán)重),其余壓裂孔致裂時(shí)間介于9~32 min,平均致裂時(shí)長(zhǎng)為16 分21 秒,致裂壓力介于25.4~30.5 MPa,表明水力壓裂壓力計(jì)算模型正確,水力致裂設(shè)備選型可靠。采用鉆孔窺視儀對(duì)壓裂孔壓裂前后效果進(jìn)行考察,部分壓裂孔壓裂前后窺視圖如圖7。壓裂效果明顯。

        工作面推進(jìn)8.0 m 后頂板開始垮落。隨著推進(jìn),支架載荷相繼出現(xiàn)3 次峰值,第1 次峰值出現(xiàn)于工作面推進(jìn)24.6 m,第2 次峰值出現(xiàn)于推進(jìn)39.8 m,第3 次峰值出現(xiàn)于推進(jìn)57 m。第1、2 次峰值間隔推進(jìn)15.3 m,第2、3 次峰值間隔推進(jìn)17.2 m??梢詳喽ㄔ摴ぷ髅婊卷敵醮蝸韷翰骄酁?3.0 m,周期來壓步距為15.3~17.2 m?;卷敵醮蝸韷翰骄嘤稍瓉淼?5.0 m 降至壓裂后15.3~17.2 m,與周期來壓步距16.0 m 相近,說明水力壓裂效果明顯。

        圖7 壓裂孔壓裂前后對(duì)比圖

        采用定向水力壓裂后,底鼓及巷道變形量均大幅降低,在控制范圍之內(nèi)。水力壓裂技術(shù)控制堅(jiān)硬頂板,可解決巷道變形及底鼓量大的難題。

        6 結(jié)論

        (1)采用水力壓裂技術(shù)對(duì)1404 綜采工作面切眼頂板進(jìn)行控制,設(shè)計(jì)了3 種不同型號(hào)共計(jì)39 個(gè)壓裂孔。

        (2)定向水力壓裂可使煤層頂板分層、分次逐漸垮落,有效降低了頂板壓力顯現(xiàn)程度,巷幫變形及巷道底鼓現(xiàn)象大幅降低,具有良好的壓裂效果。

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