水力压裂技术在工作面初次放顶中的应用

摘 要：近几年，我国煤矿企业也在尝试将水力压裂技术运用到放顶煤工作面初次放顶工作中，之所以选择水力压裂技术，是因为水力压裂技术可以通过钻孔方式和钻孔数量来控制顶板垮落的程度和时间，可以有效降低整体顶板同时垮落所造成坍塌事故的发生几率，保障煤矿初步采集工作面安全生产。同时，水力压裂技术可以提高煤矿开采总量，提高矿产企业经济利益，促进我国煤矿行业可持续繁荣发展。本文将对水力压裂技术在放顶煤工作面初次放顶中的应用进行分析，并举出实践案例，希望可以被相关部门人员所采纳。

关键词：水泵压裂技术;初次放顶;安全隐患;作业条件;检测方法;顶板防护

0 引言

由于初次放顶工作面采集高度是正常开采高度的2倍以上，因此初次放顶工作极容易造成顶板工作面坍塌。我国在改革开放后，北方城市率先开启煤矿开采事业，南方城市紧随其后，在短短几十年后的今天，我国平原地区的已经暂无煤矿区可以开采，煤矿企业不得不将煤矿开采区域向山区转移。因为山区煤矿开采深度增加，地应力不断增大，煤层的透气性逐渐减少，同时岩石强度高、密度大、承载力强，所以初步开采工作难度系数增大，安全隐患极高。我国之所以要在初步开采工作初步放顶工作中运用水力压裂技术，是因为它可以将传统煤矿开采后造成采空区大面积悬顶安全隐患解除，通过倒退式压裂法、整体压裂方法等方式逐步完成垮落大面积的、悬顶的、坚硬的、难垮落岩石，保障初步开采工作安全顺利的进行。

1 水力压裂技术

1.1 水力压裂技术概念

水泵压裂技术的作用原理是：利用地层高压泵，通过钻孔孔洞向油层内注入具有高粘稠度的压裂液，当压裂液注入速度大于油层的吸收速度时，井底油层上会形成很大的压力，这种压力会促使油层开裂，当压力持续增大时，油层缝隙会逐渐向外围扩展。我国将水力压裂技术广泛使用在石油、煤矿、天然气开发等方面。

1.2 水泵压裂技术的优势

虽然欧洲国家和中国在水力压裂技术使用和推广过程中都是存在争议的，认为在使用水力压裂过程中会造成环境污染、诱发微小型地震，但是它确实增加了各国煤矿开采总量，促进了各国煤矿年产量大幅度增长。水力压裂技术运用到煤矿开采中的优势在于：

其一，可以适应质地坚硬的、难垮落的顶板。其二，满足长壁式综合掘机快速作业时顶板及时垮落的要求。其三，对煤矿开采模式和开采技术影响比较小。其四，通过钻孔数量控制顶板垮落速度的方式比爆破控制顶板垮落的方式更加安全。

1.3 水力压裂技术的特点

第一点：技术比较成熟，是煤矿开采的主要技术之一。第二点：压力裂缝属于单一裂缝，裂缝的方向受地应力控制，裂缝长度受钻孔数量控制。第三点：水力压力技术可以和其他压裂技术组合使用，以满足煤矿开采的实际需求。

2 水力压裂技术在放顶煤工作面初次放顶工作中的运用

2.1 实验煤矿区域概况

本文将以某井田为实验区域对水力压裂技术在放顶煤工作面初次放顶工作中的运用情况进行分析。该区域地质构造简单，地层产状总体坡度走向为350°，倾斜角大约在5°左右。工作总长度为3056m，倾向长度为260m。采用长臂后退式掘进机进性放顶采煤法，全部垮落法管理顶板。放顶煤工作面9#煤层平均厚度为7.3m，推进范围控制在1638内，最近检测平均煤层厚度为5.3m。放顶工作面厚度为13.16m，主要成分是石英石、正长石，是最常见的质地坚硬的、难垮落的顶板。

2.2 设计方案

由于水力压裂技术可以控制掘进机采掘后，放顶工作面的垮落速度，尽可能降低顶板整体垮落的危险性，让采空区域顶板可以逐层、分段垮落。该技术可以有效避免放顶工作面给掘进机施工造成的工期延误的影响，还可以降低工作面顶板维护支护难度。煤矿技术人員需要根据顶板岩石层结构来确定水力压裂钻孔位置和钻孔数量。煤矿开采工程师需要根据放顶工作面厚度确定使用单井压裂方法、整体压裂方法、倒退式压裂法三种方法其中的那一项，由于实验矿产区域放顶工作面是最常见的坚硬难垮落顶板，因此需要选择倒退式压裂法，以钻孔深度向钻口位置移动为压裂原则，从岩石层内部逐层向外围岩石层进行压裂。

2.3 施工前期准备工作

首先，准备好水力压裂技术所使用的配套设备，将储罐、泵车、混砂车、管汇车等运输到煤矿开采区域。其次，购买前置压裂液、携砂压裂液、顶替压裂液，要尽可能选择稳定性高、残渣少、价格便宜、摩擦阻力低的压裂液，以此保障压裂效果的良好性。最后，购买支撑剂，要保障所购买的支撑剂性能具备强度大、密度小、颗粒均匀、杂质少等要求。

2.4 规范钻孔施工流程

工作人员需要使用56mm钻头进行钻孔，工作人员必须要严格执行技术人员提供的钻孔施工流程，便于更好的完成压裂作业。

2.5 标准水力压裂技术

工作人员应当先使用普通钻头对顶板工作面岩层进行钻孔，一旦钻头碰到坚硬岩石无法继续钻下去时;需要及时更换特制的钻头，利用水力压裂技术对岩石层进行横向切槽;当横向切槽完成后，二次使用普通钻头进行钻孔，钻孔一定距离后退出;使用跨式钻孔器将压裂液注入放顶煤工作面岩石断层中，利用手动泵向孔洞中注入10MPa左右压力，在将泵车与注水管向连接，直至压裂作业完成。

3 水力压裂技术实践运用效果检验方法类型

3.1 地质雷达检测法

地质雷达检测法作用原理是：在了解直达讯号发射时间和发射频率的情况下，通过分析反射讯号的时间和波速判断出钻孔距离和压裂效果，大体估算出压裂距离。地质雷达检测法的优势是：不会对放顶岩石层孔洞造成影响，探测范围不受仪器限制。

3.2 孔洞直观窥视检测法

直观窥视检测法的作用原理是：根据一定的计算方式，测量出水力压裂钻孔和观测孔间的距离，一名工作人员需要利用窥视仪近距离观察观测孔，当水力压裂钻孔中持续注入压力时，观测孔是否会冒出水柱，根据工作经验大致判断出压裂的范围和压裂裂缝的走向。这种方法虽然检测方法便捷，但是观测范围受限，得出的结果精确度不高。

3.3 完整的煤矿压裂检测法

完整的煤矿压裂检测法作用原理是：对顶板、支撑框架受力情况、岩石层位移距离等进行全部检测，通过分析整体数据报告信息，确定水力压裂顶板的压裂效果。这种检测方法存在明显的弊端问题：检验时间过长、检测方法落后、检测难度大。

4 结束语

总而言之，虽然水力压裂技术关于使用效果和产生后果的争议从来就没停止过，但是煤矿企业想要提高年开采总量，解决传统初步采集期间顶板岩石垮落安全隐患问题，就必须要使用水力压裂技术，通过对设计方案、施工流程、前期准备工作、检测方法等工序进行升级优化，来扩大煤矿顶板缝隙密度和延展长度、提高煤层的透气性，削弱岩石顶板垮落造成的地震等级，全面消除生产安全隐患，保证工作人员的生命健康安全不受威胁。

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作者简介：

范海超（1988- ），男，汉族，河北沧州人。本科学历，现工作于阳泉煤业（集团）有限责任公司一矿，研究方向：主要从事采矿工作。