坚硬顶板定向水力压裂技术的应用

冯 烜

(山西省地质矿产研究院， 山西 太原 030001)

在煤炭开采过程中，坚硬顶板指直接位于煤层上方或者位于厚度较薄的直接顶上方厚度较大且坚硬的顶板岩层，该岩层强度高、致密、完整性强，在工作面回采过程中不易及时垮落，会形成较大的悬顶面积，当悬顶长度达到强度极限断裂、垮落时常会形成飓风，对工作面形成较大的冲击，严重威胁到工作面人员设备安全[1-3]. 目前针对坚硬顶板更多地采用预裂爆破、水压预裂的方法进行弱化处理。预裂爆破虽然弱化效果较好，但是施工效率低，存在的安全隐患大；水压预裂虽然缓解了预裂爆破带来的一些不利影响，但是由于其压裂钻孔方向固定，为了保证弱化效果，需要施工工程量较大。基于此，在水压预裂基础上提出了定向水力压裂技术进行顶板弱化处理[4-5].

1 工程概况

某矿主要开采3-1煤，其中31305综采工作面位于3-1煤3盘区，煤层厚度3.5～3.9 m，平均3.8 m. 工作面直接顶为中粒砂岩、粉砂岩和砂质泥岩互层，块状层理，泥质胶结，厚度12.5～20.2 m，平均15.4 m；基本顶为一层厚度较大的细粒砂岩，水平层理，钙质胶结，厚度1.6～45.8 m，平均20.8 m；直接底为砂质泥岩，水平层理，厚度3.5～10.5 m，平均5.3 m. 由于基本顶坚硬且厚度较大，回采过程中难以及时垮落，现场表现为周期来压步距大，来压强烈，对工作面安全生产造成了极大的影响。

2 定向水力压裂技术原理

定向水力压裂技术是针对坚硬岩层沿着固定方向提前进行裂缝预设，该裂缝不局限于直线，在压裂岩层可以弯曲，裂缝的方位直接决定了岩层中裂隙的发展方向，也决定了压裂效果[6]. 压裂之后在短时间内向钻孔中注入高压水，高压水会沿着初始裂缝对周围岩体进行切割，将钻孔周围一定范围内的岩体水压涨裂成不同形状的块体或者分层，压裂原理见图1.

图1 定向水力压裂原理图

定向水力压裂技术借助高压水冲击将坚硬顶板进行分层或者割裂，破坏岩层完整性，整个压裂过程实际上为高压集中应力的转移和释放，从岩体内部破坏其结构，实现坚硬岩层的弱化。另外，定向钻孔可以任意弯曲，可以实现岩层定向、定点、定区域破坏。在充足水压作用下，岩层破坏半径可以达到10～25 m.

3 定向水力压裂方案

3.1 钻孔布置

31305工作面共布置钻场1个，位于31305主运顺槽1联巷，设计钻孔3个，主要解决3-1煤层坚硬顶板发育造成的强矿压问题。为了不影响正常生产，钻孔延伸到工作面前方100 m处的顶板位置，钻孔长度分别为510 m、545 m、590 m，累计长度1 645 m. 钻孔采取平均分布法进行布置，钻孔间距71.25 m，钻孔剖面布置于3-1煤层顶板18 m位置处，压裂目标层位为基本顶细粒砂岩。设计孔径96 mm，具体布置图见图2.

3.2 压裂施工流程设计

该次压裂采用定向分段水力压裂技术，压裂工艺过程见图3，其中1#钻孔分为9段进行压裂，2#钻孔分为10段进行，3#钻孔分为10段进行压裂，具体施工流程如下：

1) 采用定向钻机压裂施工钻孔。2) 将分段水力压裂工具串送入孔内指定位置，通过双封隔器单卡压裂目标层位段。3) 利用高压压裂泵向孔内注水，实现封隔器的坐封。4) 持续增压，达到设定压力后，节流器打开，进行第一段钻孔的水力压裂施工，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。5) 完成第一段压裂施工后，关闭压裂孔口压裂泵注设备，进行孔口排水卸压，封隔器自动回弹至原有规格；利用定向钻机拖动孔口高压管柱，将封隔器拖动至设计位置，进行第二段压裂施工。6) 依次完成设计施工段的压裂施工，相邻压裂段形成三维立体连续性岩层裂缝，压裂施工完成后，通过钻机的起拔进行压裂工具串的回收。

图2 定向压裂钻孔布置图

图3 定向分段水力压裂工艺过程图

4 压裂效果分析

4.1 矿压步距分析

实施定向水力压裂后，对31305工作面周期来压进行观测，选取了10次周期来压步距与未实施水力压裂情况下进行对比，见表1，实施水力压裂后工作面周期来压步距、来压持续距离明显降低。水力压裂前周期来压步距平均为19.7 m，水力压裂后周期来压步距平均为14.8 m，降低了24.9%；水力压裂前来压持续距离平均为5.6 m，水力压裂后来压持续距离平均为4.6 m，降低了17.9%.

4.2 矿压强度分析

31305工作面实施定向水力压裂前后矿压显现见图4. 由图4可以看出，对坚硬顶板实施定向水力压裂后，工作面矿压显现明显减弱，工作面推进160 m范围内未实施顶板压裂情况下，支架平均工作阻力为9 946 kN，实施压裂后支架平均阻力减小到9 268 kN，减小了6.8%. 证明通过定向水力压裂对坚硬顶板进行弱化处理效果较好，由岩石内部产生裂隙，破坏了岩石的整体完整性，缩短了来压步距，降低了来压强度。

表1 31305工作面压裂前后周期来压步距变化特征表

图4 31305工作面压裂前后支架矿压显现特征图

5 结 语

针对某矿31305工作面厚且坚硬的顶板条件，布置了3个定向钻孔，直接延伸至细粒砂岩层，采用分段压裂施工工艺保证压裂效果。通过对31305工作面定向水力压裂前后矿压观测可知，实施压裂后工作面来压步距、来压持续距离以及矿压强度都得到了明显的降低，来压步距降低了24.9%，来压持续距离降低了17.9%，来压强度降低了6.8%，定向水力压裂效果显著。