浅埋深坚硬顶板定向长钻孔水力压裂技术应用

文/王生彪

神东矿区浅埋煤层群开采存在上覆遗留煤柱，上下煤层间距相对较小，开采时相互影响较大，开采过程中存在矿压显现强烈、围岩变形，工作面液压支架活柱短时间内大幅下缩，甚至可能发生支架压死、设备损坏等事故，严重威胁煤矿安全生产。神东煤炭集团榆家梁煤矿就面临该问题。

榆家梁煤矿4-3煤层上覆4-2煤遗留的跳采及房式开采遗留煤体煤柱，会形成高应力区，对煤柱下方工作面的安全开采造成威胁。为减弱工作面上覆4-2煤层遗留煤柱区域在回采过程中发生强矿压显现问题，保证工作面正常安全生产，实施煤层坚硬顶板弱化技术工程应用项目，开展定向长钻孔水力压裂技术实践，对煤层坚硬顶板进行弱化，以缓解上覆遗留煤柱所造成的应力集中，保障工作面安全回采。

一、工作面概况

榆家梁煤矿4-3煤层为中厚偏薄煤层，煤层倾角1°～3°，煤层厚度1.5～1.85m，平均1.7m，工作面煤层稳定，结构简单。

43202工作面位于榆家梁井田东北部。工作面回采长度为1756.4m，工作面宽298.3m，回采面积52.39万m2。东南侧为43201工作面；西侧为备采的43203工作面。

4-3煤层与上覆4-2煤层间距15.3～19.5m，平均16.6m。43202工作面煤层直接顶板为中粒砂岩，灰白色，以长石、石英为主，分选性中等，次棱角状，泥质胶结。43202工作面煤层直接顶平均厚度5.20m。老顶为灰白色细砂岩，成份以石英为主，长石次之，含少量岩煤屑，分选中等，次圆状，泥质胶结，斜层理。老顶厚度3.7～5.1m，平均4.5m。工作面煤层直接底为深灰色泥岩，含岩屑及植物化石，遇水泥化严重，厚度0.7～3.5m，平均厚度2.1m。

二、顶板水力压裂工艺及设计

1.压裂工艺

采用双封单卡多点拖动管柱分段水力压工艺。双封单卡多点拖动式顶板分段水力压裂技术工作原理是在施工完成定向钻孔，将压裂工具串送入指定位置后，通过双封隔器单卡压裂目标层位段，利用在封隔器中设计平衡泄压通道，使高压管柱压裂液与封隔器压力平衡传递，实现“即压即封、卸压解封”。

当高压压裂液达到3MPa后封隔器完全坐封，继续增压，使压力达到5MPa后，限流器打开，完成压裂段的压裂施工；压裂施工过程中，高压压裂液不断注入顶板岩层中，促使作用于岩层的水压力逐渐升高，当压力大于岩层破裂压力后，岩层的弹性余能以动能形式释放，表现为岩体压缩破裂、引起振动等动力现象，促使岩层产生新的裂缝系统，破坏岩层整体完整性，降低其强度；当施工完成第一段压裂工作后，关闭压裂孔口压裂泵注设备，使孔口排水卸压，封隔器自动回弹至原有规格；借助定向钻机拖动孔口高压管柱，拖动封隔器至设计位置，施工第二段压裂工作，依次施工完成设计施工段的压裂工作，相邻压裂段形成三维立体连续性岩层裂缝，实现煤层坚硬顶板的有效弱化。

2.工程设计

通过井下踏勘，并对工作面地质说明书、钻孔柱状图等地质资料进行分析，结合工作面回采进度情况，综合顶板关键层判识结果，针对43202工作面上覆煤层遗留煤柱等易发生强矿压显现问题位置，提出钻孔布置方案。

43202工作面布置钻场1个，设计钻孔4个；43203工作面布置钻场3个，设计钻孔7个。设计孔径96mm，孔口一开96mm钻进至直接顶，二开扩孔153mm，下127mm套管跨过岩层10m。套管侯凝结束后按照设计轨迹一开96mm钻进至终孔，钻孔压裂目标层位为4-3煤层顶板以上6m处细粒砂岩。方案具体设计内容如下。

（1）钻场位置：榆家梁煤矿43202工作面1号钻场位于43202主运顺槽20联巷。

（2）钻孔分布：1号钻场布置钻孔4个，单孔长度270～360m。钻孔均位于上覆4-2煤层遗留保护煤层正下方，钻孔剖面上位于4-3煤层顶板6m。

（3）钻孔间距：1号钻场内相邻钻孔间距平均32m，其中T1与T2间距35m，T2与T3间距37.5m，T3与T4间距24.6m。

三、压裂效果评价

1.压裂监测数据分析

通过远程操控计算机，应用压裂数据的自动监测和记录功能，监督水力压裂过程，获得整个水力压裂施工过程中的压力及流量变化曲线。通过分析钻孔压裂监测曲线可知，当开启高压注水泵，首先膨胀封隔器，压力缓慢上升，当封隔器完全膨胀坐封后，压力骤然上升达到21.32MPa，然后降至10MPa左右，说明孔内压裂段围岩发生明显破裂。继续注水压裂憋压，压力上升至20MPa，压裂过程中伴随多次明显降压点，最大降压达到11.23MPa，说明该段水力压裂确实对顶板形成了有效的破裂，并且通过多次压降，形成的裂缝也充分得到延伸，达到了工程施工效果。

2.压裂现场效果分析

现场压裂施工过程中，通过对临近钻孔出水情况进行观测，反映了本次压裂治理范围。本次项目执行中发现钻孔在压裂过程中，经过数次压裂明显降压后，发现其临近孔出现出水情况。根据现场实际监测情况，各临近钻孔出水范围在17～62m，说明各压裂钻孔之间裂缝已经形成了导通。

3.矿压特征分析

在43202工作面回采过程中，借助矿压监测系统动态监测支架压力，对比回采进入压裂施工区域前后的情况，整体评价压裂效果，主要对比参数包括回采过程来压强度、来压步距、动载系数等。

（1）43202工作面矿压分布特征。

①支架阻力分布特征。根据采集的井下跟踪监测数据结果，绘制出43202工作面支架阻力变化云图。由43202工作面矿压数据云图可知，工作面回采在1200～1500m未压裂区域过程中，工作面整体来压范围广泛，来压强度大，工作面回采在1350m附近，出现大面积矿压高值区（400～450bar）。工作面周期来压期间，支架的载荷为360～505bar，平均值为432.5bar，整体在30～150支架之间。

当工作面回采经过煤柱区域时原本会出现应力集中现象，相较未进入煤柱区域有所增大，会出现大面积应力集中区，导致支架阻力增大。但本次在43202工作面1600～1700m处布置了压裂钻孔3个，由该区域对应的支架阻力变化图可知，通过进行水力压裂后，在三个压裂钻孔位置均出现支架阻力低值区，同时也促使压裂范围内的高应力集中区向低应力区转移，避免出现大面积高应力区，使得整体压裂范围内应力分布更加均匀，来压强度明显降低。

根据地表塌陷和工作面推进对比图，当回采至压裂治理区域，将每日推进位置与实际地面塌陷位置对比可以看出，经过水力压裂弱化治理后，工作面塌陷较理想，工作面来压为超前来压，约超前工作面5m。

②矿压参数特征分析。为了更好地分析坚硬顶板分段压裂弱化效果，本次主要从顶板周期来压步距、周期来压强度、支架动载系数等方面，进行压裂前后对比分析（选取在压裂范围5次周期来压数据），如表1所示。

表1 43202压裂钻场矿压评价数据分析

根据表1数据结果分析可知，在未压裂区域与压裂区域分别取5次周期来压进行分析对比，从来压步距上看，发现未压裂区域来压步距在7.2～10.4m，动载系数在1.23～1.37之间；压裂区域来压步距在4.0～7.2m，动载系数在1.20～1.25之间。均值上，压裂区域较未压裂区域来压步距降低了41%，动载系数降低了5%，来压时的支架阻力也有所减少。实际工作面回采过程中，未发生明显的底鼓和帮鼓现象，印证了压裂施工的良好效果。

（2）压裂钻孔对应支架阻力变化。43202工作面1号钻场沿工作面倾向布置，因此将工作面压裂区域分为上、中、下三个区域，三个支架阻力测线分别作为三个区域代表，分析压裂前后来压强度变化，评价压裂效果。

43202工作面共布置175个支架，取43#、87#、131#三个支架阻力测线分别作为三个区域代表，可以得出工作面上、中、下区域来压情况整体基本一致，在回采至压裂区域（煤柱区域）时，支架阻力并无增大现象。同时压裂区域与未压裂区域相比，压裂后支架阻力在200～350bar之间，阻力值有所增加，且整体较未压裂区域支架阻力变化更加稳定。通过压裂工艺分析可知，压裂裂缝的形成，促使工作面顶板来压强度重新分布，分布更加均匀，使回采过程中来压均匀稳定，规避或减弱上覆遗留煤柱造成的强矿压显现。

四、结论

通过双封单卡多点拖动式装置，对单孔实现了多段、精准、高压状态下的超长钻孔分段压裂施工，实现对43202工作面水力压裂弱化治理，结合矿压监测研究，综合井下生产实际监测情况可知，水力压裂施工效果明显。

1.本次水力压裂施工中，各段注水压力达到16.8～22.48MPa时岩层开裂，之后压力呈现周期性锯齿变化，此时微裂缝形成并扩展。随着周期性微裂缝的形成，伴随持续注入高压注水，压力增加至16.8～22.48MPa后突降，岩层明显出现破裂。随后在持续的高压注水作用下，岩层呈现“锯齿微裂缝周期性形成—明显破裂”的变化规律。通过对压力变化分析，孔内岩层破裂明显，且形成一定规模裂缝，对上覆煤柱集中应力进行有效释放。同时通过矿压监测数据分析，发现43202工作面压裂区域较未压裂区域来压步距降低了27%，动载系数降低了7%；压裂区域相比未压裂区域，整体压力分布均匀，来压强度明显降低。

2.根据现场反馈情况，实际回采过程中压裂治理区域顶板垮落良好，并未出现强矿压显现问题，初步验证了水力压裂的弱化效果，同时保障了矿井安全回采。