乌兰木伦煤矿初次放顶水力压裂技术应用研究

陈佩东

摘 要：文章根据神东矿区乌兰木伦煤矿顶板岩层强度不高、厚度较大、稳定性和整体性较好的特点，针对该矿工作面回采之后顶板无法自然垮落的问题，在该煤矿31409工作面初次放顶中，开展了水力压裂技术的设计、施工、监测等方面的应用研究。应用结果显示，在实施水力压裂工艺后，31409工作面初次垮落过程未形成冲击， 未对工作面的采煤工作产生影响， 安全地实现了工作面的初采， 水力压裂控顶技术应用达到了预期效果。

关键词：煤矿；初次放顶；水力压裂

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.041

1 前言

我国大部分煤矿采空区顶板无法随工作面推进及时垮落，如果遇到岩石强度高、节理裂隙不发育、厚度大、整体性强、自承能力强等条件的顶板岩层，煤层开采后采空区顶板大面积悬露在采空区，短期内不垮落；一旦垮落，将会产生大面积、大高度的一次性垮落，这将产生强烈的周期性来压。经过监测分析，神东矿区乌兰木伦煤矿工作面初次来压步距一般为40-70m。工作面初采时，90%以上的工作面需要实施爆破强制放顶，否则易造成工作面顶板大面积悬空，一次性垮落时往往伴随强烈的动力现象，造成设备损坏、危及人身安全等恶性事故，严重影响矿井的安全生产。

2 水力压裂技术及工艺

2.1 水力压裂技术

水力压裂（Hydraulic Fracturing）是指在钻孔过程中由于受到内部液体压力顶板发生开裂并且裂纹向周围扩展的过程。水力压裂可应用的领域范围较广，因此还被叫做水压致裂、水力劈裂。目前在我国该技术广泛应用于石油开发开采、天然气开采或地热开发利用以及放射性废物的环保处理、地应力的及时测量等方面。

水力压裂技术是指采空区放顶时需要控制水力压裂裂纹扩展方向，进而控制钻孔时控制压裂预制裂缝的扩展速度和方向。该技术对坚硬顶板的控制效果良好，削弱顶板的强度和整体性，尤其是能够有效压裂和软化。在采空区顶板放顶能够在垮落时能够分层分阶段的进行，可以使垮落时的压力有效降低，进而减小或消除顶板垮落的危害，使顶板能够达到自然垮落的效果。

2.2 水力压裂控顶技术特点

（1）与传统水力压裂作业不一样的是该种技术能够适应比较坚硬难垮的顶板，这种技术必须在井下进行，作业条件比较苛刻，存在一些问题比如作业空间狭小等。

（2）水力压裂控顶技术必须适应于当前对作业快速实施的要求，这是因为目前的煤炭开采多使用长壁式综合机械，在开采时进程速度比较快，因而顶板要及时垮落。

（3）在正常进行煤炭开采时，水力压裂控顶技术对其影响较小可以忽略不计。

（4）相比于传统的爆破控顶，水力压裂控顶技术的安全性要更好，钻孔数目也不必过多，使得顶板垮落速度较快。

2.3 水压压裂工艺过程

水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板工艺过程如下。

（1）利用普通钻头，在巷道顶板坚硬岩层中钻孔，钻进至坚硬岩层需要压裂段后停止钻进。其中，钻孔角度及长度根据坚硬岩层厚度、工作面长度确定。钻机施工过程中严格按照钻机操作规程施工。

（2）将普通钻头换为可预制横向切槽的特殊钻头，在水力压裂段预制横向切槽。是否开槽以及开槽次数、开槽位置根据顶板强度和结构确定。

（3）普钻加深。退出横向切槽钻头，利用普通钻头继续在钻孔中钻进一段距离，为压裂段封孔提供空间。

（4）将垮式钻孔封隔器和注水管推进至水力压裂段。

（5）利用手动泵为封隔器加压使胶筒膨胀，达到封孔目的；手动泵封孔所需压力一般为10-20MPa左右。

（6）将高压泵与注水管连接，开启高压泵直至压裂完成。压裂过程严格按照压裂要求实施。

3 31409工作面初次放顶顶板水力压裂设计

在乌兰木伦煤矿，初次放顶顶板水力压裂技术首先应用在31409综采工作面，该工作面切眼分为切眼I和切眼II，倾向长度均为147.5m。采高4.2m，煤层结构简单。

3.1 设计原则与设计依据

（1）设计原则：水力压裂技术可有效控制工作面顶板初次垮落，最大程度削弱顶板的整体性，使得工作面顶板呈分层及时垮落。水力压裂技术有效控制顶板的同时，避免给工作面的正常回采带来影响，避免由于过度压裂和软化导致工作面顶板维护困难，避免由于水力压裂给顶板管理带来困难，避免其它可能的灾害。

（2）工作面老顶厚度较大，整体性强、稳定性好，初次垮落需采取强制措施。

（3）根据理论分析、煤层厚度、顶板岩层厚度，岩层结构。

（4）工作面难垮顶板水力压裂初次放顶设计及施工经验。

（5）上述地质资料较为简单，施工前在切眼顶板进行岩层结构窥视和围岩强度测试（切眼范围选取3个测点），根据现场测试结果指导设计与施工。

（6）工作面安装后对切眼支护退锚，保证顶板及时顺利垮落。

3.2 初次放顶顶板水力压裂设计

（1）根据钻孔位置的不同，钻孔布置为：在切眼I布置压裂钻孔L（L1-L8，共8个）和压裂钻孔S（S1-S7，共7个），垂直煤壁布置；在切眼I顺槽布置压裂钻孔S（S8-S13共6个）；在切眼II布置压裂钻孔L（L1-L8，共8个）和压裂钻孔S（S1-S8，共8个）；在切眼II顺槽布置压裂钻孔S（S9-S11，共3个）垂直煤壁布置布置。

（2）在切眼顺槽分别布置B（1，2）孔。钻孔进尺总计：600m（24个S孔）+544m（16个L孔）+152m（3个B孔）=1296m。

钻孔参数为：

压裂钻孔-S，钻孔长度25m，倾角为40°；

压裂钻孔-L，钻孔长度34m，倾角为15°；

压裂钻孔-B1，钻孔长度53m，倾角为20°；

压裂钻孔-B2，钻孔长度46m，倾角为30°。

（3）施工顺序。首先进行压裂-L的钻孔和压裂施工，完成后再进行S孔的钻进与压裂作业。压裂钻孔-B是在工作面顶板悬顶面积较大时再实施压裂（钻孔提前施工）。钻孔施工采用ZDY650钻机及配套钻机平台，见下图，钻头直径56mm。

将封孔器推入孔底后，每隔3m压裂一次（根据现场情况调整），S孔预计压裂6次，L孔预计压裂8次，根据窥视，岩层有水平层理，压裂后裂缝沿水平方向扩展，最后一次压裂位置距离煤层2m以上，防止切顶与架前漏顶事故发生，保证工作面回采安全。

（4）钻孔注水压裂。封孔器的安装：连接安装封孔器，然后接静压水对封孔器进行排气、试压，保证运作正常，通过高压胶管将连接好的手动泵和储能器与封孔器连接，连接处“O”型密封圈密封，连接采用快速连接方式。

高压水泵的调试：高压泵型水泵电机功率为90KW，配备相应的防爆开关，给水泵接电；水泵进水口接静压水，出水口连接高压胶管，高压胶管的另一端连接注水钢管；检查各个连接处，连接无误后给高压水泵先通水再通电，调整正反转，观测水泵是否正常运作。

4 水力压裂施工工艺及应用效果

4.1 矿压观测

（1）工作面矿压观测区的设置。回采工作面所有支架PM32和立柱压力表上均能显示工作面支架的工作阻力，故在初采初放期间，每推进一个循环对支架的工作阻力进行一次记录。

回采工作面及端头岩层垮落量与垮落步距统计，每推进一个循环对顶板的垮落情况进行一次记录。

（2）工作面矿压的观测方法。采用支架初撑力及支架工作阻力与工作面推进距离的关系的观测方法，即支架移架后，读出支架PM32控制器上压力传感器读数为支架初撑力；当采面经过一个循环后采煤机割煤前可从PM32控制器或压力表上立即读出最大工作阻力。

安排专人进行顶板垮落情况统计，每推进一个循环记录一次。

（3）工作面矿压观测的内容。工作面顶板垮落量与垮落范围统计，支架的阻力观测、支架活柱伸缩量的观测、巷道围岩变形观测（记录宏观变化）、巷道围岩表面位移观测（记录宏观变化）、顺槽超前支护单体液压支柱阻力观测、支护质量动态监测。

（4）工作面矿压观测所需的分析内容。根据观测结果对水力压裂弱化顶板岩层的效果、压裂后工作面顶板活动规律、来压特征、工作面支架受力特点、支架对顶板的适应性及控制效果、超前支撑压力影响范围和分布特点、顶板稳定性、工作面支护质量等进行分析。

4.2 水力压裂效果监测

水力压裂效果的监测可根据临近钻孔出水情况判断压裂范围，在初采过程中观测支架受力状况、顶板来压步距，通过与爆破放顶对比分析矿压监测数据，评价水力压裂控制顶板的效果。

完成水力压裂的钻孔可作为下一个压裂钻孔的观测孔。如果在压裂时发现观测钻孔中有水，这时要拉开压裂钻孔之间的距离，没有发现观测钻孔中有水，这时要减小压裂钻孔之间的距离；

工作面矿压监测设计。进行“三量”（即顶底板移近量、支柱活柱下缩量、支架载荷）测量并整理数据，从而评价水力压裂效果。

5 总结

（1）乌兰木伦煤矿采空区顶板岩层水力裂缝的最大范围为20至35m。

（2）乌兰木伦煤矿水力压裂技术采用的高压水的压力为8～22MPa，水的流量约为80L/ min。通过监测可知，工作面推进10m左右后采空区顶板全部直接垮落，推进40m左右后基本顶垮落完成。

（3）采用水力压裂技术对采空区顶板岩层进行弱化后，顶板垮落过程未对工作面产生冲击和影响。

参考文献：

[1]孙连胜，齐海清，冯彦军等.水力压裂技术在锦界煤矿初次放顶中的应用[J].煤矿开采，2015，20（06）：97-100.

[2]闫少宏，宁宇，康立军等.用水力压裂处理坚硬顶板的机理及实验研究[J].煤炭学报，2000，25（01）：32-35.