“钻-切-压”定向水力压裂顶煤弱化技术应用研究

许红杰

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院开采研究分院，北京 100013)

综放开采技术已成为我国现阶段实现高产高效矿井建设和进行采煤工艺改革的有效途径，是国有重点煤矿降低成本、实现减人增效的有效方法。然而，厚煤层的综放开采仍面临着高含矸率、低回收率的现象。为提高顶煤回收率，国内外学者针对顶煤弱化开展了大量的研究实践工作，试验了包括深孔炸药爆破、二氧化碳致裂、产气剂爆破弱化、水力压裂等多种顶煤弱化方法。试验表明，从操作工艺、安全性角度考虑，深孔爆破顶煤弱化技术是实现难冒煤层高回收率回采的较为有效途径，该技术是在工作面顶煤中布置工艺巷或在巷道中开挖钻场，进行深孔顶煤爆破，达到顶煤弱化的目的。深孔爆破技术可以满足高产高效放顶煤工作面对顶煤弱化处理的要求，但该技术存在成本高、可控性差、放炮过程中易产生大量粉尘，恶化工作面环境，在高瓦斯矿井中极易引发瓦斯爆炸等诸多缺点。

近年来，随着各省份对炸药管控力度加大及煤矿安全形势的需要，采用爆破手段进行顶煤弱化的矿区逐渐减少。在坚硬厚煤层综放开采矿区面临着无炸药可用、顶煤无弱化手段下回收率低的尴尬境地。因此“钻-切-压”定向水力压裂技术作为一种绿色、安全的顶煤弱化技术手段成为了探讨的焦点。

目前，国内开展的水压致裂技术多是单纯的钻孔取杆后在设定的钻孔封隔段内进行压裂，由于压裂钻孔内岩石基本处于三轴应力状态，在原应力原生裂隙下开展压裂效果有限。当前国内水压致裂技术多应用于坚硬顶板的弱化处理、冲击地压矿井的卸压防冲、临空巷卸压等领域，由于煤体裂隙的存在，针对水压致裂顶煤弱化方面的研究少有报道，尤其是通过“钻-切-压”手段开展顶煤弱化方面的研究未见报道。论文以神树畔煤矿为工程背景，利用高压水射流与水力压裂相结合的“钻-切-压”一体化水力压裂技术，开展了榆神矿区坚硬顶煤弱化技术应用研究，并通过直观窥视、裂隙扫描、回收率统计对顶煤弱化效果进行验证，以期探讨“钻-切-压”定向水力压裂技术在顶煤弱化中的可行性。

1 工程概况

神树畔煤矿3107工作面位于3#煤层31盘区，工作面采用综采放顶煤开采，煤层埋藏深度152～236m，厚度10.52～11.75m，平均11.39m，煤层倾角平均1°，普氏硬度系数1.6～3.0。煤层直接顶以泥岩及粉砂质泥岩为主，厚6.67～8.38m，平均厚度7.53m，饱水及干燥状态下单轴抗压强度分别为19.8MPa、88.4MPa，基本顶以细粒及中粒砂岩为主，粉砂岩次之，厚9.86～34.93m，平均22.4m，饱水及干燥状态下单轴抗压强度分别28.1MPa、51.4MPa。

工作面采用综采放顶煤开采工艺，割煤高度4.8m，放煤高度6.59m，设计支架最大支护高度5.0m，选用ZFY17000/27/50D两柱掩护式综放支架，支架支护强度1.42～1.47MPa。工作面倾向长度265m，推进长度1756m。

2 “钻-切-压”定向水力压裂技术

2.1 技术原理

“钻-切-压”定向水力压裂技术是水力压裂技术的再优化。该技术融合了高压水射流自动成缝和高压水力压裂的优势，形成了钻孔、成缝一体化，目标区域封隔压裂。

该技术是在钻孔施工完毕后，在不退钻杆的情况下利用高压水对完整顶煤区域人为制造楔形槽进行定向压裂，在高压水作用下，楔形槽尖端处产生急剧的应力集中，当楔形槽尖端集中应力超过煤体的致裂强度时，煤体将首先在楔形槽尖端致裂，并在水压的继续作用下沿此裂缝扩展延伸，最终与相邻压裂孔裂隙贯通，从而在完整顶煤区域形成弱面，减小分层的厚度，降低煤层的强度和完整性，最终实现顶煤的顺利回收。

2.2 施工工艺流程

定向高压水力致裂工艺流程包括：钻孔—高压水切割成缝—封隔压裂。

1)钻孔：在回采巷道或工作面内利用特制高压密封钻杆在目标区域煤层斜向或垂直进行开孔(视顶煤及顶板垮落情况)，钻孔直径为50～75mm。

2)高压水切割成缝：钻孔完毕后，在不退出钻杆的情况下，将钻杆切换至高压射流状态，调整高压泵压力至30～50MPa，随着钻杆的退出，在目标煤层区域利用射流器进行高压水切割成缝，切缝时间5～10min，形成初始裂缝。

3)封隔压裂：割缝完毕后，退出钻杆，将封隔器缓慢送入钻孔内的割缝位置，封闭裂缝两端，打开止水阀，进行封隔压裂。压裂时间10～20min，根据水压的变化情况适当控制压裂时间。

3 “钻-切-压”定向水力压裂顶煤弱化方案

水力压裂试验段在工作面回风巷，总长度为100m，对应工作面推进距离为1481～1581m，共布置10组钻孔，每组钻孔间距为10m。

3.1 顶煤压裂孔

顶煤压裂孔共计3个钻孔，分别为A1、A2、A3钻孔。如图1所示。钻孔参数：A1钻孔方位角为30°，仰角为10°，钻孔开孔位置距离巷道底板高度1.8m，A1钻孔深度为45m，孔径∅60mm，钻孔终孔位置在煤层与顶板交界位置。倾向方向(垂直巷帮方向)的最远影响距离为44.3m，影响支架范围为128#—107#支架；A2钻孔方位角为90°，仰角为20°，距离A1钻孔1.0m，钻孔开孔位置距离巷道底板高度2.2m，A2钻孔深度为27m，孔径∅60mm，钻孔终孔位置在煤层与顶板交界位置。A2孔沿工作面倾向方向(垂直巷帮方向)的最远影响距离为25.4m，影响支架范围128#—116#支架。A3钻孔方位角为20°，仰角为20°，距离A1钻孔5.0m，钻孔开孔位置距离巷道底板高度2.8m，A3钻孔深度为31m，孔径∅60mm，钻孔终孔位置在煤层与顶板交界位置。A2孔沿工作面倾向方向(垂直巷帮方向)的最远影响距离为25.4m，影响支架范围128#—116#支架。

图1 施工方案(m)

压裂参数：A1孔和A2孔的孔口封孔段长度分别为14m和3.65m，每隔7.5m首先采用射流器割缝，再每隔3.0m和4.5m用高压水实施压裂；A3孔封孔段长度为7.65m，每隔3.0m和4.5m压裂一次。

3.2 顶板压裂孔B

钻孔参数：钻孔方位角为30°，沿巷道走向方向；仰角为30°，朝向采空区方向。钻孔深度为30m，孔径∅60mm，垂直方向压裂顶板高度为14.6m。压裂参数：孔口封孔段长度为6.65m，每隔3.0m和4.5m压裂一次。

4 顶煤弱化效果监测

4.1 顶煤体裂隙发育钻孔窥视

为监测水力压裂效果，采用钻孔全景窥视仪对钻孔压裂前、后孔壁煤岩体裂隙分布情况进行观测，通过对比分析得出水力压裂前、后煤岩体裂隙发育及分布扩展情况，如图2、图3所示。

图2 割缝压裂前、后顶煤裂隙状态

图3 压裂、前后裂隙发育素描

对压裂前、后的裂隙发育情况进行统计可知，压裂前，钻孔揭露顶煤的完整段比例为67.3%，裂隙发育段所占比例相对较低；压裂后，钻孔揭露顶煤的微小裂隙和明显裂隙发育所占比例合计增加了23.5%。由此可见，水力压裂对于顶煤体裂缝扩展有明显作用。

4.2 顶煤裂隙发育状态的电磁波CT探测

当采用水力压裂弱化煤岩体时，由于煤岩地质体内部构造复杂，水压裂缝扩展形态及过程存在不确定性。为掌握压裂钻孔之间区域内的压裂效果，采用电磁波CT探测技术对压裂前后的煤体进行井下实地探测，对比分析压裂前、后电磁波在煤体中的衰减特性规律，判断水压裂缝的扩展区域分布，评价水力压裂效果。压裂前、后CT探测结果如图4所示。

分析致裂前、后CT扫描成像图可知，水力压裂后，钻孔内10～40m钻孔区域，电磁波视吸收系数由3dB/m以下增加至5～10dB/m。压裂区域煤体的电磁波视吸收系数明显增大，说明水压裂缝与煤岩体原生裂隙沟通，促使裂隙进一步发育扩展，表现为煤体内裂隙发育范围明显增大，原有裂隙宽度增大。钻孔8～26m窥视区域内裂隙扩展明显，电磁波视吸收系数明显增加至5～10dB/m，表明电磁波CT扫描结果与煤体裂隙窥视效果吻合。

根据电磁波CT扫描裂缝状态，得到水力裂缝扩展的素描结果，如图5所示。分析可知，水力压裂后裂缝扩展至两钻孔间75%的区域，扩展裂缝效果明显。

图5 CT探测裂隙分布区域素描

4.3 放煤产量及回收率统计

为验证顶煤弱化的实际放煤效果，对水压致裂后机头及机尾两端各20个支架区域顶煤的放煤量进行了对比分析，统计分析发现，在水压致裂弱化区域机尾段，平均日放煤量3433t，未进行水压致裂的机头段，平均日放煤量3243t，水压致裂区域顶煤的日放煤量增加190t，提高了5.5个百分点。

同时，对工作面顶煤放出量和顶煤回收率情况进行了实测统计。并与水压致裂前的爆破弱化进行了对比分析，见表1。

表1 水力压裂前后不同时期顶煤回收率统计

分析表1可知，“钻-切-压”定向水力压裂顶煤弱化后，工作面顶煤回收率达到72.49%，较水压致裂前的爆破弱化提高了6.33个百分点。

5 结 论

1)“钻-切-压”定向水力压裂技术融合了高压水射流自动成缝和高压水力压裂的优势，形成了钻孔、成缝一体化，目标区域封隔压裂，避免了钻孔退杆后二次刀具割缝的复杂工艺。

2)“钻-切-压”定向水力压裂对顶煤裂隙的扩张及破裂效果显著，压裂后，钻孔内揭露顶煤的微小裂隙和明显裂隙发育所占比例增加了23.5%，裂缝扩展贯通范围达到10m以上。

3)“钻-切-压”定向水力压裂顶煤弱化技术有效的提高了顶煤的回收率，致裂区域顶煤回收率得到明显改善，水压致裂段顶煤的日放煤量由3243t增至3433t，增加190t，提高5.5%；工作面顶煤回收率由66.16%增加至72.49%，较水压致裂前提高了6.33%。