侏罗系采空区煤柱上下坚硬岩层协同压裂控制技术

宗建强

（山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司长平公司，山西 晋城 048000）

1 同忻矿概况

大同煤田同忻矿区内赋存侏罗系和石炭系双系煤层，层间距150～300 m。侏罗系煤层已开采近100年，系内煤层赋存广泛，层位较多，煤层开采后遗留了大量煤柱。现矿区主采石炭系3-5#煤层，平均厚度14～25 m，采用放顶煤一次采全厚，开采后覆岩垮落运移空间大。双系间岩层较为坚硬，抗压强度在40～120 MPa。

同忻矿主采石炭系3-5#煤层，以8203、8202相邻工作面为研究背景。工作面煤层厚度15.65～25.28 m，平均 21m，倾角 0～3.5°，煤层标高 790-815 m，两工作面长度均200 m，矿井先采8203工作面。8203、8202工作面上部侏罗系14#煤层遗留煤柱，宽为40 m，高度3.4 m，埋深321.8m，遗留煤柱与8203工作面呈斜交状态，与8202工作面呈垂直状态，煤柱与工作面对照见图1。其中紧邻煤柱下方存在一厚17.5m的细砂岩，该砂岩坚硬完整，抗压强度达80～120MPa，距煤层141.9m。

8203工作面开采过程中，矿压显现强烈，尤其在工作面开采至上覆侏罗系煤柱对应位置处，强矿压显现愈发突出。

图1 工作面与煤柱对照关系

2 压裂层位的确定

研究表明，作面推进至上覆煤柱对应位置处，上覆煤柱大结构的高应力集中造成高位硬厚岩层发生破断，高位硬厚岩层大面积的破断回转连同上覆煤柱结构的失稳运动是造成工作面强矿压显现的主要原因。因此，通过破坏上覆煤柱结构以减少其应力集中程度，或人为降低高位硬厚岩层的整体强度，减少其破断步距，降低其破断强度是控制工作面强矿压显现的两种有效途径[1-2]。

地面钻井压裂技术的原理是采用液压泵将压裂液注入目标层，使得在目标层内形成人工增透裂缝，与此同时也降低了岩层的整体性及其强度[3-6]。

因上覆煤柱结构受开采扰动和集中应力作用，裂隙节理高度发育，对其实施压裂时压裂液滤失漏液现象严重，无法达到压裂要求，难以实现对上覆煤柱结构的破坏改性。上覆17.5m厚细砂岩相对完整性较好，通过对厚砂岩实施压裂，可有效防止岩层的整体性回转失稳，压裂后厚砂岩层完整性及其岩石强度大大降低，随工作面开采及时发生垮落，同时引发煤柱上覆岩层也发生垮落，见图2。另外，压裂后厚砂岩层中裂隙发育程度高，在采动应力和煤柱集中应力共同作用下，裂隙更加发育，岩层破碎，在一定程度减弱了上覆应力的传递，从而降低了工作面的矿压显现强度。因此，确定紧邻煤柱17.5m硬厚细砂岩为压裂目标层。

图2 压裂控制机理及层位

3 钻孔位置选择与施工

因煤柱两侧14#煤层开采后顶板垮落，岩层失稳破坏，在该区域内打压裂钻井难度大，钻井围岩破坏严重，将会导致漏液严重，无法实施压裂。煤柱处上覆岩层相对较为完整，因此在距8202面940m，距进风巷道60m，正对煤柱上方，自地表垂直向下打压裂井，压裂井底深度400.38m。根据钻孔工艺，首先采用Ф311mm钻头自地表钻进至稳定基岩段10m后，下入Ф244.5mm×8.94mm套管，而后采用Ф215.9mm钻头进行钻进至结束，下入Ф139.7mm×7.72mm套管。在目标层内，分为A、B两个区域进行压裂，见图3。

首先进行射孔在压裂井四壁形成多个小孔，使压裂液能够通过小孔进行扩展，实现压裂。设计各区域压裂井的密度高达16个/m，参数见表1；压裂主要分为两个步骤：①选用50m3酸液进行初次压裂，其成分为12%HCL+5%HF，通过对岩层进行溶蚀作用，降低岩石的力学性能，②采用携砂液和510.0m3清水继续压裂，采用携砂液进行压裂的目的是为了防止裂缝闭合，增加压裂效果。

在8202工作面地表布设检波器监测压裂过程中微地震波信号以描述水压裂缝扩展规律。检波器埋深10cm，布置方案见图3。

图3 地面压裂示意

表1 压裂参数

采用6台车用于承载压裂液，2台车用于承载石英砂，1台仪表车；储备压裂清水500m3。L型水平井可以人为控制水平钻井的掘进方向，因此可以根据压裂需要调整钻井方向，但L型钻井压裂成本高，工艺复杂，操作难度大；垂直井压裂裂缝扩展与岩层地应力有直接关系，垂直井压裂工艺相对简单，在垂直井满足裂缝扩展要求的基础上，优先选择垂直井压裂[7-10]。

4 水压裂缝形态分析

根据压裂监测方案，微震监测得到压裂扩展规律如图4。

图4 裂缝扩展形态

由图4，最终压裂裂缝与工作面呈斜交形态，与工作面夹角约15°，裂缝向两个相反方向分别延伸140m、120m，总长达260m。裂缝扩展范围覆盖了整个工作面长度，裂缝扩展效果较好。

得到压力液的压力与流量的线性规律见图5，在压力达21.7MPa时，岩石开始发生破裂，随后降低并逐渐趋于稳定，压裂的持续扩展压力约6.5MPa。压裂完成后，耗液量为480m3。

图5 压裂液压力及流量

5 水力压裂坚硬顶板的效果

自8202工作面距上覆煤柱水平距离50～60m起，至推出煤柱50m范围内，以中间#55支架为例，对工作面来压特征进行分析。

8202工作面进入煤柱位置16m后，发生来压，来压持续步距达19m，来压强度40～41MPa；间隔13m后，又出现一次来压，但此次来压时间短，强度低。

另外，对8202、8203工作面过煤柱期间支架阻力分布特征统计发现，在支架工作阻力9000～18000kN区间内，8202工作面占比62.18%，8203工作面占比80.79%。可见经地面压裂后，工作面支架的受力状态明显改善。

可见相比于8203工作面，通过对紧邻煤柱下部的硬厚岩层实施压裂，一方面有效弱化了煤柱处的应力集中，另一方面降低了17.5m细砂岩层的整体性，预防了强矿压的发生；8202工作面推进至煤柱影响区时的强矿压显现步距、次数及强度均明显降低。

6 结 论

1）采用侏罗系采空区煤柱上下坚硬岩层协同压裂控制技术对同忻煤矿8202工作面上覆坚硬顶板进行了地面水力压裂作业，现场实践表明，裂缝扩展长度达260m，覆盖了整个工作面长度，相比于8203工作面，地面压裂后8202工作面过煤柱期间强矿压显现仅发生1次，来压持续步距明显降低，工作面支架的受力状态明显改善。

2）现场实践表明，大空间采场坚硬顶板地面压裂精准控制技术是有效控制矿井灾害的新型有效技术手段，为解决同类由坚硬顶板引起的煤矿灾害的防治提供技术依据。