祁東礦30 m厚硬基本頂水力壓裂控制技術(shù)研究與應(yīng)用

薛玉峰 單振興

（安徽恒源煤電股份有限公司祁東煤礦，安徽 宿州 234000）

0 引言

水力壓裂技術(shù)主要是利用高壓泵將水（或其他液體）注入到煤巖鉆孔中，當(dāng)鉆孔注液量遠大于煤巖孔水濾失量，使得孔內(nèi)水壓升高直至煤巖層破裂，產(chǎn)生煤巖裂縫并不斷延伸和擴展，在煤巖層中形成豐富的裂隙網(wǎng)絡(luò)，從而達到提高瓦斯抽采量、改造弱化煤巖層強度的目的[1]。該技術(shù)目前廣泛運用于煤礦井下瓦斯增透[2]、頂板水力壓裂[3-6]、煤礦開切眼巷道頂板弱化[7]、工作面巷道頂板高應(yīng)力區(qū)卸壓[8-11]和防沖治理[12]等方面。

本文針對祁東礦82煤層上覆蓋近30 m 厚硬基本頂?shù)奶厥鈼l件，介紹了水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用實踐，并通過鉆孔窺視得出祁東礦8235 工作面采用水力壓裂技術(shù)后取得了良好的切頂效果。

1 工程概況

1.1 工程生產(chǎn)地質(zhì)條件

祁東煤礦8235 工作面主采82號煤層，煤層厚度為1.2 ～2.5 m，平均厚度為1.7 m，煤層傾角為11 ～15°，平均傾角為13°。8235 工作面平均埋深為544.2 m，基本頂為平均厚度29.43 m 的細(xì)砂巖，直接底為平均厚度3.2 m 的泥巖，基本底為平均厚度7.75 m 的泥巖。8235 工作面煤巖層柱狀圖如圖1 所示。

圖1 8235 工作面煤巖層柱狀圖

1.2 工程背景與控制方向

如圖1 所示，8235 工作面頂板為厚度近30 m 的細(xì)砂巖，單軸抗壓強度測試結(jié)果顯示，基本頂細(xì)砂巖自然狀態(tài)抗壓強度平均為111.9 MPa，普氏硬度系數(shù)為12，為堅固巖石，因此8235 工作面細(xì)砂巖頂板為典型的厚硬基本頂，8235 工作面初采時，后方采空區(qū)厚硬基本頂巖層容易因形成大面積懸頂，出現(xiàn)一次性垮落時，從而形成颶風(fēng)和強沖擊，造成設(shè)備損壞、人員傷亡等事故，因此祁東煤礦需要采用強制放頂?shù)姆椒ㄌ幚砘卷攷r層。

祁東煤礦此前主要采用爆破強制放頂?shù)姆椒ǎ摷夹g(shù)存在嚴(yán)重安全隱患，例如：產(chǎn)生大量有毒有害氣體、干擾礦井正常生產(chǎn)等，已無法滿足礦井安全、高效生產(chǎn)的需求。因此，根據(jù)礦井需求與實際，選擇更加安全、綠色的水力壓裂技術(shù)作為頂板控制方式，可最大程度削弱頂板的整體性，使工作面頂板呈分層及時垮落，避免給工作面正?；夭蓭碛绊憽?/p>

基于上述分析，祁東煤礦選擇在8235 工作面開切眼巷道開展水力壓裂初次放頂技術(shù)應(yīng)用。

2 工程方案設(shè)計

2.1 工程原理分析

該工程原理為：開切眼巷道形成后，工作面回采前，通過開槽鉆頭在工作面推進方向煤壁頂板與開切眼巷道頂板鉆孔預(yù)制橫向切槽，然后在淺部進行封孔，利用高壓水在切槽端部形成裂隙并沿巖層擴展，弱化開切眼巷道頂板巖層強度，使之分層垮落。其技術(shù)原理如圖2 所示。

圖2 開切眼巷道水力強制切頂原理

厚硬基本頂沿水力切頂弱化巖層區(qū)跨落后，會消除大面積懸頂?shù)囊淮慰迓滹L(fēng)險，縮短與減弱工作面前方支承壓力作用范圍與強度，能夠改善工作面煤壁區(qū)應(yīng)力狀態(tài)，進而保證采場安全。通過頂板水力壓裂可人工增加裂縫的數(shù)目，在頂板中形成水壓裂縫網(wǎng)絡(luò)，破壞其整體性，從而促使懸頂及時垮落。

為達到更好的切頂效果，同時兼顧生產(chǎn)成本問題，根據(jù)開切眼的斷面尺寸和支護條件，祁東煤礦明確預(yù)裂對象主要為基本頂中低位巖層。

2.2 鉆孔方案設(shè)計

鉆孔布置方案如圖3 所示，水力鉆孔的施工參數(shù)如下：

圖3 工作面初次放頂水力壓裂鉆孔布置圖

1） 采用錨索鉆機施工鉆孔，鉆孔直徑為50 mm；

2）在開切眼內(nèi)布置18 組鉆孔，每組施工A、B兩個孔，A 孔和B 孔均勻間隔三花型布置，每組鉆孔間距為10.5 m；

3）A 孔在煤幫施工，垂直煤壁朝向工作面前方頂板，開孔位置距離肩窩下方1 m，仰角為45°，鉆孔長度為12 m；

4） B 孔在頂板施工，垂直煤壁朝向老塘側(cè)頂板，開孔位置距離開切眼肩窩1 m，仰角為45°，鉆孔長度為12 m。

2.3 注液壓裂方案設(shè)計

注液壓裂方案為：鉆孔完成后，為增加人工裂縫數(shù)目、破壞巖體結(jié)構(gòu)，使懸頂及時垮落，采用注液壓裂技術(shù)，壓裂滯后已安裝支架不低于30 m，每個鉆孔壓裂4 ～5 段，兩段之間的間距平均為2 ～3 m，每段的壓裂時間控制在25 ～30 min。同時，采用乳化液泵進行壓裂，壓裂時對鉆孔進行封隔器封堵，壓裂過程中，乳化泵站壓力設(shè)置為25 ～30 MPa。

3 開切眼巷道切頂卸壓數(shù)值模擬分析

3.1 建立模型

為分析祁東礦8235 開切眼巷道切頂效果，本研究結(jié)合本工作面地質(zhì)生產(chǎn)條件，采用Flac3D數(shù)值模擬軟件構(gòu)建數(shù)值模型并開展分析，模型尺寸為：x × y× z=110 m × 140 m × 106.7 m，其 中x 軸 方 向為8235 工作面煤層走向，y 軸方向為煤層傾向，z 軸方向為豎直方向，煤巖層均采用Coulomb-Mohr 本構(gòu)模型，四周設(shè)置為鉸支，底板設(shè)置為固支，上部為自由邊界，并施加上覆巖層的自重載荷11.86 MPa，測壓系數(shù)取1.2，煤巖層平均容重取2 500 kg/m3。

3.2 結(jié)果分析

本研究分別對比在開切眼巷道施工水利切頂與不施工水力切頂兩種條件下圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，如圖4所示。

圖4 開切眼巷道切頂卸壓效果

由圖4（a）可知，未切頂條件下，采空區(qū)基本頂出現(xiàn)大面積懸頂，過長的懸頂導(dǎo)致工作面前方煤體出現(xiàn)大范圍高應(yīng)力區(qū)域，最高值可達29.2 MPa，較大的集中應(yīng)力易使煤壁發(fā)生片幫，影響采場安全；由圖4（b）可知，切頂條件下，當(dāng)工作面推進較小距離時，采空區(qū)基本頂即沿切頂位置斷裂，工作面前方煤體上方基本頂與采空區(qū)基本頂?shù)牧W(xué)傳遞在切頂作用下有了一定的減弱，前方煤體集中應(yīng)力峰值為21.25 MPa，較未切頂情況下降了7.95 MPa，切頂卸壓（降低初次來壓前工作面前方煤體應(yīng)力）效果明顯，且避免了大面積懸頂后一次性垮落時形成強沖擊的風(fēng)險。

4 切頂效果分析

采用水力壓裂技術(shù)后，為評價切頂效果，本研究對壓裂鉆孔進行窺視分析，其中1、2 組A 孔鉆孔窺視結(jié)果如圖5 所示，其中圖5（a）為鉆孔內(nèi)1.35 m 處，由窺視結(jié)果可得該處有煤線；圖5（b）為鉆孔內(nèi)2.45 ～2.55 m 段，由窺視結(jié)果可得該段頂板裂隙發(fā)育；圖5（c）為鉆孔內(nèi)5.1 ～5.3 m 段，由窺視結(jié)果可得該段頂板輕微縱向裂隙發(fā)育；圖5（d）為鉆孔內(nèi)7.6 ～8.6 m 段；圖5（e）為鉆孔內(nèi)8.35 ～8.55 m段，裂隙發(fā)育效果明顯。

圖5 切眼水力壓裂鉆孔窺視圖

通過對壓裂鉆孔的窺視分析可知，水力壓裂技術(shù)得到很好的應(yīng)用，取得了良好的切頂效果。

5 結(jié)論

1）本文分析了祁東煤礦8235 工作面厚硬基本頂初次來壓大面積懸頂?shù)娘L(fēng)險，提出選擇水力壓裂技術(shù)在開切眼巷道進行切頂工作，能夠最大程度削弱頂板的整體性，使工作面基本頂分層及時垮落。

2）本文闡明了水力切頂原理，確定了水力鉆孔與注液壓裂技術(shù)參數(shù)，并通過數(shù)值模擬分析了未切頂與切頂條件下采場圍巖應(yīng)力環(huán)境，后者較前者前方煤體集中應(yīng)力下降7.95 MPa，能夠有效改善采場圍巖應(yīng)力環(huán)境，保證采場安全。

3）采用水力壓裂技術(shù)可以有效保證人員和設(shè)備安全，減少炸藥雷管等火工品的使用和運輸，有效提高安全性，同時，還能避免爆破產(chǎn)生的大量有毒有害氣體，更加安全、環(huán)保。