综放工作面顶板水力压裂卸压技术应用

刘 斌，张 磊

(1.彬县煤炭有限责任公司，陕西 彬州 713500；2.陕西华彬雅店煤业有限公司，陕西 彬州 713500)

0 引言

我国井工煤矿开采中，通常采用全部垮落法管理采空区顶板。当回采工作面上方存在一层或几层厚度大、赋存稳定、地质坚硬的岩层时，工作面回采过后，此类顶板不易及时垮落，大面积悬露在采空区。一旦造成垮落，由于悬露面积大，层位高，往往具有强烈的来压特性，容易产生明显的飓风，对工作面设备造成破坏，严重时还会危及到人员自身安全[1]。

针对此类顶板，早期主要通过爆破进行处理，并辅助以注水软化的方法，但该方法存在一定的缺点[2]。水力压裂作为一种安全、经济、高效的顶板控制技术，已在煤矿得到了广泛的推广和应用，并且与爆破等手段相比，可以弥补其不足之处，具有良好的技术及经济效益[3-5]。国内针对水力压裂技术开展了大量的研究工作，主要包括坚硬顶板控制，坚硬顶煤弱化、提高煤层透气性等，目前已经在山西、陕西、内蒙古等矿区进行了大面积的推广和应用[6-9]。

为此，选择具有典型坚硬难垮顶板的雅店煤矿1403综放工作面，通过对水力压裂技术与工艺进行分析，提出现场水力压裂方案及相关参数，并对压裂过程中的压力曲线进行分析，以期得出水力压裂对工作面顶板的控制效果，为后期类似工作面开展水力压裂提供依据。

1 工作面概况

雅店煤矿1403综放工作面开采4号煤层，煤层埋深417.85～632.29 m，厚度0.15～20.87 m，平均12.07 m；工作面长度200 m，倾角6°左右。工作面钻孔柱状如图1所示。

图1 工作面钻孔柱状图

2 水力压裂技术与工艺

水力压裂是指工程岩体由于在内部高压水压力的作用下，导致原生裂缝重张或产生新的裂缝并持续扩展的过程，鉴于其应用领域的不同，也称为水压致裂或水力劈裂[10-11]。该技术已经广泛应用于煤炭、石油、天然气、地热资源等的开发以及地应力测量等相关领域。

2.1 常规压裂钻孔布置及参数

2.1.1 钻孔布置

一般情况下，工作面压裂钻孔有单侧布置和双侧布置2种布置方式，如图2所示。采用双侧布置时，对顶板的弱化效果较好，且钻孔长度较小，垂高低，易施工，符合一般中部垮高大的规律。采用单侧布置时，虽然减少了施工钻孔数量，但是要求钻孔比较长，对施工质量要求比较高，同时钻孔加长导致封孔器推进困难，增加施工难度；根据坚硬顶板的厚薄、层位的不同，可以设计多层钻孔布置。

图2 顶板水力压裂钻孔布置

2.1.2 钻孔参数

钻孔参数主要包括钻孔间距、钻孔直径、仰角、深度等。其中，钻孔间距根据压裂半径而确定，钻孔直径根据压裂时使用的封孔器直径进行选择，钻孔的水平投影与巷道的水平夹角一般为70°～75°，一方面便于施工，另一方面使工作面回采过程中逐步进入压裂区域，钻孔仰角则根据布置方式确定，按单层孔布置时一般较小，按双层孔布置时，上层孔角度可适当大一些，钻孔深度根据现场柱状图、煤层厚度、采高等参数确定。

2.2 水力压裂系统组成及工序

2.2.1 水力压裂系统组成

水力压裂系统主要包括进水管路、高压泵、高压供水管路、压力监测仪、注水管、封孔器。

高压泵：其作用是提供高压水进行压裂，流量7.1 m3/h，额定压力66 MPa。

高压供水管路：连接高压泵出水口与压裂孔内注水管尾部的通道。

压力监测仪：实时记录压裂过程中的压力变化，并采用计算机软件对数据进行处理。

注水管：其作用主要有两个。将封孔器推送至钻孔的指定位置；作为注水通道对封隔的钻孔段进行注水压裂。为了确保密封性，连接处采用“O”型圈进行密封。

封孔器：由中心管和两侧封隔器组成。通过连杆将两支封隔器相连，两侧封隔器膨胀后对压裂段进行密封，高压水通过中心管注入中间压裂段。

2.2.2 运行工序

水力压裂系统主要包含封孔、高压水压裂、保压注水3项工序。水力压裂过程中初期压力会急剧上升，在高压水的作用下起裂后压力会有所下降，继而进入保压阶段，此时裂缝会持续向深部扩展，同时产生新的裂缝，保证顶板岩层充分弱化和软化。

2.3 顶板水力压裂技术工艺

水力压裂控顶技术需满足快速实施要求，减小对工作面正常回采的干扰。与爆破控顶方法相比，安全性好，不会产生有毒有害气体及震动，水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板工艺过程如图3所示。按照设计参数进行钻孔钻进，如图3(a)所示。两侧封隔器加压使胶筒膨胀，达到封孔目的，如图3(b)所示。连接高压泵，注水实施压裂，如图3(c)所示。

图3 水力压裂控制坚硬顶板岩层示意

3 1403综放工作面水力压裂试验

3.1 设计原则与依据

水力压裂技术可有效削弱顶板的完整性，使回采工作面顶板及时分层垮落。工作面上方岩层整体性强、强度高，稳定性好，需采取强制措施弱化顶板。工作面顶板卸压水力压裂设计及施工经验。压裂参数根据顶板岩层厚度、采高、顶煤厚度、顶板岩层结构、顶板垮落步距等参数综合确定。

3.2 水力压裂方案设计

1403工作面水力压裂钻孔布置如图4所示。试验段巷道长度195 m，共布置压裂孔A孔14个，B孔13个。其中，压裂钻孔-A，钻孔长度120 m，倾角为30°，压裂终孔位置距孔口27 m；压裂钻孔-B，钻孔长度80 m，倾角50°，压裂终孔位置距孔口17 m。考虑到运输皮带对胶运顺槽的影响，为便于施工，钻孔角度与巷道轴向夹角为60°。

图4 水力压裂钻孔布置

3.3 水力压裂效果监测

3.3.1 压裂曲线

采用水力压裂数据采集仪(水压仪)实时监测泵压随时间的变化过程，可对压裂过程进行诊断和分析，从而分析坚硬难垮顶板水力压裂特点，如图5所示。图5(a)为钻孔水力压裂过程中某一段的压裂曲线，压裂时间一般为30 min左右，可以看出压裂初始时刻，压力急剧上升，快速达到峰值点，此时岩石孔壁开始产生破裂，出现裂缝，此阶段称为裂缝起裂阶段；随后压力曲线出现一定的下降后保持稳定直到整个压裂过程结束，在此阶段裂缝能够在相对恒定压力的作用下不断向深部扩展，曲线呈现极其紧密的锯齿状，直到裂缝在岩层中有效扩散或贯通。通过图5(b)压裂曲线可以看出，不同位置压裂过程中的压力变化幅度较小，最小压力不低于30 MPa，最大压力在45 MPa左右，压裂过程中，裂缝在恒定压力的作用下得到有效扩散。

图5 压裂过程中压力-时间变化曲线

3.3.2 支架压力

在1403工作面回风顺槽进行水力压裂过后，工作面回采期间支架压力统计示意图，如图6所示。工作面长度为200 m，总计116架支架，其中回风顺槽侧进行水力压裂处理范围为56#～116#范围内支架。通过支架受力柱状图可以看出，个别支架由于上方顶煤比较破碎，导致受力偏大；整体来看，工作面进行水力压裂卸压后，工作面靠近回风顺槽侧支架受力明显小于胶带顺槽一侧，顶板卸压效果比较明显，能够有效避免工作面回采过程中由于支架受力偏大导致的压架现象，有利于工作面的安全回采。

图6 工作面支架压力示意

4 结论

(1)通过对水力压裂技术工艺进行分析，结合现场钻孔柱状图，确定水力压裂钻孔参数及处理高度，确保对煤层上方坚硬顶板岩层进行充分处理，达到压裂卸压的目的。

(2)现场压裂曲线表明，在压裂初期，压力快速上升，裂缝存在明显的起裂阶段，此阶段压力较大，随后在相对恒定压力的作用下，裂缝向深部扩展，曲线呈现紧密的锯齿状，且压裂过程中压力基本在30 MPa以上。

(3)根据工作面支架受力分析可以得知，水力压裂技术能够有效弱化顶板，改善工作面支架受力状况，有效提升矿井工作面顶板管理水平，减小或消除坚硬顶板对工作面回采的危害。