定向水力压裂与深孔爆破预裂初次放顶技术对比

刘 辉,王建文

(陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司,陕西 榆林 719300)

定向水力压裂与深孔爆破预裂初次放顶技术对比

刘 辉,王建文

(陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司,陕西 榆林 719300)

针对初采期间采空区大面积瞬间垮落所引起的人员伤亡和设备损坏等问题,以柠条塔煤矿S1201工作面为工程背景,系统地对比分析了定向水力压裂初次放顶技术与深孔爆破初次放顶技术,得出:与深孔爆破技术相比,定向水力压裂初次放顶技术安全性高,能缩短初次来压步距20 m左右,初次放顶直接成本降低11%左右,且增加了矿井有效生产时间,提高了煤炭产量,是一项安全、高效、经济、绿色的初次放顶技术。

初次放顶;定向水力压裂;深孔爆破

综采工作面初采期间,随着工作面的不断推进,采空区顶板无法及时垮落,悬顶面积不断扩大,当采空区大面积瞬间垮落时极易形成飓风和冲击压,来压时有明显动力现象,常造成支护设备损坏、危及人身安全等恶性事故[1-2]。针对这一问题,国内目前初次放顶主要采用的是以爆破为主,注水软化为辅的方法,然而该方法存在以下不足:一是工程量和炸药量大、安全性差、成本高、污染井下空气,二是干扰回采工序,影响回采进度[3]。

定向水力压裂技术作为经济有效的坚硬难垮顶板控制技术已在国内外推广应用,并在生产实践中显示出良好的技术经济和社会效益[4]。国内已经展开了水力压裂在煤矿中应用的相关研究,主要有水力压裂控制坚硬顶板机理及实验研究,水力压裂弱化坚硬顶煤、提高煤层透气性及瓦斯抽采效果等。天地科技股份有限公司在晋城、潞安、神东矿区进行了水力压裂控制坚硬顶板的推广应用,结果表明,水力压裂可有效弱化坚硬顶板、破坏其完整性,削弱顶板的强度和整体性,使采空区顶板能够分层分次垮落,缩短初次来压和周期来压步距,达到减小或消除坚硬顶板对工作面回采危害的目的[5-8]。

基于以上背景,在陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司S1201工作面进行了定向水力压裂初次放顶技术的研究,并与深孔爆破技术进行了技术经济比较,提升了该矿的顶板管理水平。

1 柠条塔煤矿深孔爆破初次放顶概况

深孔爆破初次放顶技术是通过打深孔、装药、爆破预裂等工艺工程和方法,将煤层顶板进行深孔预裂爆破破坏梁结构,使工作面初采期间提早形成悬臂梁,采空区顶板能够尽快垮落,进而缩短初次来压步距,达到减小硬、完整、不易冒落煤层顶板对初采期间工作面危害的目的。

深孔爆破工艺流程:切眼施工深孔→工作面安装调试推采4 m～5 m→人员进入装药→深孔预裂爆破。

柠条塔煤矿深孔爆破初次放顶技术钻孔布置方式为在切眼内炮眼呈“一”字型布置,施工角度33°,一般共布置50个钻孔左右,垂深8.7 m～16.4 m,切眼内炮眼中线距离切眼中心线1 m(靠老空侧),孔距为4 m～7 m,炮眼采用MYZ-150型全液压坑道钻机施工,钻头采用Φ85 mm合金钢钻头,成孔直径Φ90 mm;钻孔总进尺905 m左右。

深孔爆破初次放顶工程一次综合费用约35.84万元,费用明细如表1所示。此外,采用该方法工作面需停产一个圆班(约1万t产量),且通风影响区域所有工程必须停工16 h左右,干扰了矿井的正常生产。

表1 柠条塔煤矿深孔爆破费用明细Table 1 Cost of deep-hole blasting in Ningtiaota Mine

顶板深孔预裂爆破处理效果:通过对工作面的矿压观测,测得工作面的基本顶初次垮落步距平均为93 m左右,端头垮落(推采35 m左右)不及时易产生飓风。

2 S1201工作面水力压裂初次放顶

2.1工作面概况

S1201工作面倾斜长295 m，走向长3010 m。切眼附近煤层厚度4.2 m，无伪顶。直接顶板岩性为灰色薄层状粉砂岩,夹细粒砂岩薄层,水平层理,厚2.82 m～5.04 m，工作面切眼中段掘进揭露有顶板砂岩冲刷体,切割深度约0.6 m,冲刷体均为中粒砂岩。老顶岩性为浅灰色、浅白色细粒石英砂岩,柱状结构,完整性中等,局部细粒长石砂岩,含白云母,波状层理,分选性差-中等,次棱角状,泥钙质胶结,厚5.40 m～20.63 m。煤层围岩综合柱状见如图1。

图1 煤层围岩综合额柱状图Fig.1 Comprehensive column of surrounding rock of coal seam

2.2定向水力压裂技术工艺原理和方法

水力压裂初次放顶技术是通过在钻孔中开槽、封孔、高压注水压裂等工艺过程和方法,在钻孔压裂段预制裂缝,控制水力压裂裂纹扩展方向,达到弱化顶板岩层和应力控制的技术。效果主要表现在压裂和软化两个方面,从而削弱顶板的强度和整体性,随着工作面不断推采,使采空区顶板能够分层分次垮落,进而缩短初次来压步距,达到减小或消除硬、完整、不易冒落煤层顶板对初采期间工作面危害的目的。

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;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)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。

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 MPa～20 MPa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。

7)完成单孔多次压裂作业。

预裂缝起裂后水压会有所下降,继而进入保压阶段,在这个阶段,裂纹扩展的同时伴随着新裂纹的产生,利用流量计监测流量及注入的水量,保证顶板岩层充分弱化和软化。压裂过程中观测压裂孔周围顶板出水情况,压裂时间一般不少于30 min。

2.3水力压裂钻孔布置

根据水力压裂理论、最大拉应力准则及柠条塔煤矿S1201工作面切眼顶板岩层结构、岩层厚度、岩性及采高,确定压裂钻孔布置见图2。

图2 S1201工作面压裂钻孔布置参数Fig.2 Fracturing drilling distribution parameters of S1201 working face

1)在切眼布置压裂钻孔L(L1-L12,共12个)和压裂钻孔S(S1-S11,共11个),垂直煤壁布置。

2)在顺槽布置压裂钻孔S(S12-S15共4个),与巷道轴向夹角为45°,钻孔指向切眼方向。

3)在顺槽分别布置1个B孔和1个A孔,B孔与巷道轴向夹角为30°,A孔与巷道轴向夹角为3°,钻孔均指向切眼方向。

4)钻孔进尺总计:435 m(15个S孔)+360 m(12个L孔)+94 m(2个B孔)+84 m(2个A孔)=973 m。

钻孔参数如下:a.压裂钻孔S,钻孔长度29 m,倾角为45°;b.压裂钻孔L,钻孔长度30 m,倾角为30°;c.压裂钻孔B,钻孔长度47 m,倾角为19°;d.压裂钻孔A,钻孔长度42 m,倾角为19°。

钻孔施工顺序为:首先进行压裂孔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,最后施工A孔。压裂钻孔B是在工作面回采后顶板无法及时垮落时压裂。

2.4定向水力压裂初次放顶效果

S1201工作面于8月20日形成,确定采用定向水力压裂技术后,8月22日开始施工,9月15日水力压裂工作完成。工作面于10月8日开始推采,工作面推采约13 m采空区开始垮落;推采约16 m时开始出现连续性分层垮落;推采20 m时,机头、机尾垮落,剩余中部80-110架未充分垮落;推采约40 m时,采空区基本落实;工作面再推采50 m时,采空区出现较大响声,有顶板垮落现象,并伴有不同程度的飓风现象,压力无明显变化,工作面煤墙出现少量偏帮;工作面推采约76 m时,支架安全阀大量开启,工作面偏帮严重,地面塌陷。

3 两种技术对比分析

根据柠条塔矿业有限公司S1201工作面定向水力压裂初次放顶技术的应用效果,现对定向水力压裂与深孔爆破初次放顶技术从以下几方面进行对比分析。

3.1作用机理

两种技术均是对煤层顶板稳定性和整体性进行破坏而缩短初次来压步距,达到减小或消除硬、完整、不易冒落煤层顶板对初采期间工作面危害的目的，均可达到有效地解决初采期间随着工作面的不断推采,形成采空区悬顶面积不断扩大,当采空区大面积瞬间垮落时极易形成飓风和冲击压,造成人员伤亡和设备损坏等一系列焦点问题。

3.2工艺过程

两种技术均要进行打孔施工,但具体的工艺过程和施工方法不同。

与爆破预裂放顶技术相比,水力压裂初次放顶技术在工艺原理和施工方法方面的优点为:

1)做到了就地取材,利用高压水进行预裂顶板,减少矿井炸药和雷管使用量。

2)岩层强度和完整性的弱化范围较大,可达20 m ～40 m,初次垮落步距较小,随采随落,端头垮落及时不易产生飓风,小于深孔预裂爆破处理结果,减少设备损坏、增加矿井块煤率。

3)可以有效控制和转移围岩赋存的高应力。

4)不使用炸药和雷管,工序衔接环节少,使用人员少,安全性较为突出。

5)不干扰工作面正常生产及周边工程正常施工。

6)降低了工人劳动强度和改善作业环境。

7)不会产生污染井下空气的有毒气体。

8)可适用于多种条件,如高瓦斯矿井。

与爆破预裂放顶技术相比,水力压裂初次放顶技术在工艺原理和施工方法方面的缺点为。

1)目前开槽可保证近场定向,无法实现远场定向。

2)工程质量考核不能直观反应,施工期间均以经验判断施工效果和质量情况。

3)裂缝扩展形态有待深入研究;

4)地质构造和自然裂隙对压裂的影响有待深入研究。

3.3技术效果

顶板深孔预裂爆破处理效果:通过对工作面的矿压观测,测得工作面的基本顶初次垮落步距平均为93 m左右,端头垮落(推采35 m左右)不及时易产生飓风。

顶板水力压裂处理效果:通过对工作面的矿压观测,测得工作面的基本顶初次垮落步距为76 m左右,初次垮落步距较小,随采随落,端头垮落及时(推采20 m左右)不易产生飓风,小于深孔预裂爆破处理结果。

3.4经济效益分析

直接经济效益:柠条塔矿业有限公司采用深孔爆破初次放顶技术的工程费用为35.8万元左右,而定向水力压裂技术的工程造价为31.8万元左右,节约成本11%左右。

间接经济效益:采用深孔爆破技术工作面需停产一个圆班(约1万t产量),且通风影响区域所有工程必须停工16 h左右,干扰了矿井的正常生产;而采用定向水力压裂技术则不存在这些问题,增加了矿井的有效生产时间,提高了煤炭产量,间接经济效益显著。

4 结论

1)定向水力压裂技术在柠条塔矿业有限公司S1201工作面成功应用,结果表明,与深孔爆破技术相比,定向水力压裂技术对于顶板的控制有其独特的优势和特点,有效促进工作面顶板及时垮落,减小了初次来压和周期来压步距,减小了工作面来压对工作面的影响,显著提升了坚硬难垮顶板的管理水平,由此产生了显著的经济社会效益,是一项安全、高效、经济、绿色的初次放顶技术。

2) 针对工作面初采期间推采0 m～90 m范围内,工作面煤尘大,工作面煤壁较硬,煤机截割功率较大,煤机行走速度慢,工作面产量较低,设备故障率高等一系列问题,可采用水力压裂技术将工作面初采期间0 m～90 m煤墙进行全面预裂软化进行工业性试验,解决上述一系列问题和不安全因素。

[1] 陈炎光,钱鸣高.中国煤矿采场围岩控制[M].徐州:中国矿业大学出版社，1994.

[2] 靳钟铭,徐林生.煤矿坚硬顶板控制[M].北京:煤炭工业出版社，1994.

[3] 史元伟,宁宇,魏景云.采煤工作面围岩控制原理和技术(下)[M].徐州:中国矿业大学出版社，2003.

[4] 姜瑞忠，蒋廷学，汪永利.水力压裂技术的近期发展及展望[J].石油钻采工艺，2004，26(4):52-57.

[5] 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(1):32-35.

YAN Shaohong，NING Yu，KANG Lijun，etal.The Mechanism of Hydrobreakage to Control Hard Roof and Its Test Study [J].Journal of China Coal Society，2000，25(1):32-35.

[6] 孙志勇，冯彦军，郭相平.凤凰山煤矿坚硬顶板定向水力压裂技术应用研究[J].中国矿业，2014(11):108-110.

SUN Zhiyong,FENG Yanjun，GUO Xiangping.Application of Hard and Stable Roof Control by Means of Directional Hydraulic Fracturing in Fenghuangshan Coal Mine [J].China Mining Magazine，2014(11):108-110.

[7] 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(6):97-100.

SUN Liansheng,QI Haiqing,FENG Yanjun，etal.Application of Hydraulic Fracturing in First Caving of Jinjie Coal Mine [J].Coal Mining Technology，2015(6):97-100.

[8] 冯彦军，康红普.定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板试验[J].岩石力学与工程学报，2012，31(6):1148-1155.

FENG Yanjun,KANG Hongpu.Test on Hard and Stable Roof Control by Means of Directional Hydraulic Fracturing in Coal Mine [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012，31(6):1148-1155.

ComparativeAnalysisofFirstRoofCavingBetweenDirectionalHydraulicFracturingandDeep-holePre-blasting

LIUHui,WANGJianwen

(ShenmuNingtiaotaMiningCo.，Ltd.，ShaanxiCoalandChemicalIndustryGroup，Yulin719300，China)

In the initial mining period，the sudden and large collapse of goaf could cause casualties and equipment damage.Taking No.S1201 working face in Ningtiaota as engineering background，the study compares the first roof caving of directional hydraulic fracturing and deep-hole blasting.The results show that，compared with the deep-hole blasting，the directional hydraulic fracturing is safer.It could reduce the weighting interval by 20 meters or so，cut the cost about 11%，and increase effective production time and coal production，which is safe，efficient，economical and green.

first roof caving; directional hydraulic fracturing; deep-hole blasting

1672-5050(2017)02-0046-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.04.013

2016-12-19

刘辉(1985-),男,陕西西安人,本科,工程师,从事煤矿开采、矿压管理工作。

TD235.37

A

(编辑:杨 鹏)