15112工作面坚硬顶板水力压裂技术研究与应用

2022-02-23宋杰

山东煤炭科技 2022年1期

宋杰

（山西省高平市科兴米山煤业有限公司，山西高平 048400）

1 工程概况

山西高平科兴米山煤矿15112工作面位于井田东部，工作面北部为15113准备工作面，东部为保安煤柱，南部为15111采空区，西部为15104运输巷。工作面开采15#煤层，煤层均厚为2.7 m，煤层直接顶和基本顶岩层分别为泥岩和K2灰岩，厚度分别为1.2 m和10 m，煤层基本顶属于坚硬岩层。工作面倾斜长度145.5 m，走向长度1227 m，采用综合机械化开采，采高2.4～3 m，平均采高2.7 m，循环进度0.6 m，采用ZZ6800/19/38型液压支架支护顶板。由于工作顶板属于坚硬顶板，为防止工作面回采过程悬顶过长导致出现压架或矿压显现，拟采用水力压裂技术对坚硬顶板进行预裂。

2 水力压裂裂缝扩展规律

水力压裂技术主要是向钻孔内注入高压水，当孔内的注水压力超出岩体的极限抗拉强度时，钻孔孔壁会出现破裂，随着注水流量的增大能够使得孔内起裂裂纹逐渐向远处扩展，进而能够在孔壁周围形成较大范围的水力裂隙，水力裂隙的扩展方向与扩展区域内主应力的分布形态有直接关系[1-3]。为有效分析水力压裂钻孔内裂纹的扩展规律，采用UDEC数值模拟软件建立岩体模型，在岩体内布置环向分布的均匀伪裂隙，将岩体内的伪裂隙设置为与岩体同等的抗拉强度，高压水不会通过伪裂隙渗透。伪裂隙参数见表1。

表1 伪裂隙属性参数表

具体本次数值模拟模型如图1所示。模型建立后对岩体施加10 MPa的双轴地应力，向水力压裂钻孔内注入高压水，首先将水压保持在一个较低的整数值，当观测发现四周裂隙在该压力无法扩展时进一步加压至下一个整数值[4-6]，并继续观测四周裂隙扩展情况。

图1 数值模拟模型示意图

根据数值模拟结果能够看出，钻孔内施工水力压裂钻孔后，钻孔主应力的分布特征如图2所示。分析图2可知，钻孔采用水力压裂方案后，在钻孔水平A-A方向上的孔壁切应力达到最大值，在钻孔竖直方向B-B方向上的切应力为最小值。据此可知，当进行水力压裂时，在水力压裂钻孔孔壁B-B方向上最容易起裂。

图2 钻孔四周应力矢量图

模拟中当注水压力P小于9 MPa时，钻孔壁在垂直B-B方向上仅能够产生微小的裂隙，岩体在该水压下裂隙无法扩展；进一步增大注水压力，当注水压力达到9 MPa时，钻孔周围形成的水力裂纹的起裂方向为垂直方向，与岩体的σ1平行；当注水压力为10 MPa、注水时间为0.2 ms时，岩体裂纹张开位移量和扩展裂隙及钻孔壁附近主应力分布如图3。

图3（a）中垂直轴和水平轴分别表示张拉闭合量和裂隙扩展的距离，从图中能够看出裂隙的张开长度约为0.5 m。图3（b）中线条越粗表示形成的水力裂纹开度越大，从图中能够看出水力裂纹的开度随着距钻孔孔壁距离的增大而逐渐减小，且在水力裂纹尖端出现了一定的拉应力现象。在水力裂纹靠近钻孔壁端，高压水充满水力裂纹且挤压该区域的岩石，进而使得该区域内岩石内部表现出水平应力集中现象，而水力压裂裂纹会远离钻孔孔壁，高压水未充满水力裂隙，即钻孔壁处裂隙内的水压接近注水压力，而随着裂隙的扩展，裂隙内的水压会逐渐减小，当高压水到达裂隙尖端时，水压值基本达到零。

图3 注水压力P=10 MPa、T=0.2 ms时钻孔周围裂纹及主应力分布图

为分析注水压力对裂隙扩展速率的影响，通过数值模拟对比分析不同注水压力下钻孔注入压力和裂隙扩展长度、张开量间的关系，如图4。分析图4可知，当注水时间一定时，随着注水压力的增大钻孔周围裂隙极限扩展长度会逐渐增大，裂隙极限张开位移也会随着注水压力的增大而逐渐增大。

3 水力压裂方案及效果

3.1 水力压裂方案

根据15112工作面坚硬顶板的具体特征，结合水力压裂裂缝扩展规律的数值模拟结果，设计水力压裂分三个阶段。第一阶段为工作面前方70 m范围内，该范围水力压裂钻孔称为A、B孔，该阶段内水力压裂钻孔以25 m为一组沿着煤层走向推进方向进行布置。第二阶段为工作面前方25 m范围内施工C、D类钻孔，该类钻孔主要在工作面前方坚硬顶板制造竖直水力裂纹。当工作面回采推进至A、B类钻孔后，在工作面前方25 m的位置处施工下一组C类和D类钻孔实施水力压裂，如此循环。第三阶段：随着工作面回采作业的进行，在工作面机巷和风巷内平行施工G类钻孔进行水力压裂。

具体本次水力压裂方案中的各项参数如下：

（1）水力压裂钻孔布置。15112工作面机巷内施工的钻孔为A类和C类钻孔，工作面风巷内施工的为B类和D类钻孔，在机巷和分巷内施工的钻孔为G类钻孔。压裂孔A和压裂孔B在工作面倾斜方向上对向施工，压裂孔A和B沿工作面推进方向均匀布置，A、B、C、D钻孔为一组钻孔，每组钻孔间的间隔为25 m。G类钻孔分为G1长孔和G2短孔，长孔和短孔交错布置，深度均为5 m，长短孔间的间隔为5 m。具体压裂参数及布置方式见表2和图5。

图5 水力压裂钻孔布置示意图

表2 水力压裂钻孔布置参数表

（2）水力压裂工艺。水力压裂钻孔施工时，采用钻头直径为56 mm的钻机钻进。当钻孔至预定位置时，退出钻头，更换切槽钻头，将钻头推进至孔底；当钻头到达孔底时，将钻机缓慢推进旋转制造横向切槽；预制槽制造完毕后，重新更换为普通钻头施工至下一个预制切槽位置，如此循环直至钻孔施工完毕。水力压裂钻孔采用封隔膨胀器进行封孔，封孔器可承受的注水压力为10～12 MPa，水力压裂时水压在15～40 MPa范围内，水力压裂作业由远及近、由外向里施工，压裂作业时压裂孔附近锚杆和锚索孔内出水时，必须停止压裂作业。

3.2 效果分析

15112工作面回采期间，通过观测液压支架在水力压裂前后的工作阻力分析水力压裂效果。在工作面推进一个周期来压步距时，水力压裂前工作面最大支架工作阻力如图6（a），水力压裂后支架工作阻力如图6（b）。

分析图6可知，工作面采用水力压裂方案前，支架的最大工作阻力最大达到约6900 kN，已超出支架额定阻力，存在压架的风险，且在顶板一个周期来压步距下支架工作阻力长期处于6500 kN以上，工作阻力富裕系数较小。当工作面采用水力压裂方案后，顶板一个来压步距下的最大工作阻力为5400 kN，相较于未采用水力压裂方案前，降幅达到21.7%，此时工作面支架均处于正常状态，支架工作阻力富裕系数相对较大。另外图6（b）可知，工作面水力压裂方案实施后，基本顶的周期来压步距为25.4 m，相较未采用水力压裂方案的45 m大幅降低。