地面水力压裂坚硬顶板治理强矿压技术研究_蔡红博.pdf

1672023 年第 5 期蔡红博：地面水力压裂坚硬顶板治理强矿压技术研究蔡红博：地面水力压裂坚硬顶板治理强矿压技术研究收稿日期 2022-10-20作者简介 蔡红博（1991），男，山西大同人，2015 年毕业于辽宁工程技术大学采矿工程专业，工程师，现从事煤矿生产管理工作。蔡红博：地面水力压裂坚硬顶板治理强矿压技术研究蔡红博：地面水力压裂坚硬顶板治理强矿压技术研究地面水力压裂坚硬顶板治理强矿压技术研究蔡红博（马道头煤业有限责任公司，山西 大同 037100）摘 要 针对马道头煤业特厚煤层综放工作面开采过程中，因上覆坚硬顶板大面积垮落造成的强矿压显现问题，提出采用地面水力压裂的治理方法，通过在工作面上覆地面施工垂直钻孔压裂目标层，以达到弱化坚硬顶板结构强度、减小顶板垮落步距的效果。采用该技术后，通过矿压观测和微震监测，工作面来压强度明显减弱，来压范围及持续时间显著减小。关键词 强矿压治理；地面水力压裂技术；水力喷砂射孔压裂工艺中图分类号 TD327.2 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.05.054Research on Surface Hydraulic Fracturing Hard Roof Administer Technology for Strong Mine PressureCai Hongbo(Madaotou Coal Industry Co.,Ltd.,Shanxi Datong 037100)Abstract:Aiming at the problem of strong mining pressure manifestation caused by the large area collapse of the overlying hard roof during the mining process of the extra thick coal seam fully mechanized top coal caving face in Madaotou Coal Industry,a surface hydraulic fracturing administer method is proposed.By constructing vertical drilling and fracturing the target layer on the overlying surface of the working face,the effect of weakening the strength of the hard roof structure and reducing the roof collapse step distance is achieved.After adopting this technology,through rock pressure observation and microseismic monitoring,the strength of the working faces pressure is significantly reduced,and the range and duration of the pressure are significantly reduced.Key words:strong mine pressure control;surface hydraulic fracturing technology;hydraulic sandblasting perforation and fracturing technology大同矿区石炭系特厚煤层顶板以多层厚硬砂岩为主，基本顶及上覆坚硬岩层垮落步距大，矿压显现将更剧烈，强矿压导致的动力现象严重1。以大同矿区马道头煤业石炭系 3-5#特厚煤层 8106 综放工作面为研究背景，拟通过地面水力压裂技术，将上覆可能导致强矿压的坚硬岩层弱化或切断，缩短来压步距，降低来压强度，从而确保工作面安全开采。1 工程概况8106 综放工作面采用一次采全厚综放开采工艺，设计可采走向长度为1642 m，倾向长度为220 m。开采煤层为石炭系 3-5#特厚煤层，平均煤厚 15.5 m，煤层平均倾角为 6.5，工作面储量为 876 万 t。工作面对应地面标高+1515+1455 m，煤层底板标高+1050+1000 m，埋深为 460455 m，位于盘区辅运大巷西部。切巷西部为矿界，南侧为 8105 工作面采空区，与 8105 工作面之间为 DF24 断层保护煤柱（宽 127214 m），北侧为 8107 工作面实煤区，对应上部无采空区。工作面四邻位置如图 1。图 1 工作面四邻位置图8106 工作面顶板上覆分布多层厚度大、强度高的砂岩层，岩层近水平，且工作面范围内的硬岩层未受过采动影响，断层也较少，岩体结构较为完整。1682023 年第 5 期开采前未对工作面上覆坚硬顶板采取弱化措施，导致工作面在初采期间频繁发生强矿压显现现象，支架安全阀频繁开启，最多时达到 85%。在两顺槽超前支护40 m范围内巷道变形严重，顶板下沉0.30.6 m，两帮移近 0.5 m，超前支护段单体柱发生弯折。工作面顶板岩性柱状示意图如图 2。图 2 工作面顶板岩性柱状示意图2 地面水力压裂设计及实施2.1 压裂施工技术原理地面垂直钻孔压裂是利用地面压裂泵车，将具有一定粘度压裂前置液泵入压裂井中，泵注排量和泵注压力随时间逐渐增大，令压裂井憋压，使井壁周围的岩层产生裂缝，之后泵压有所降低，仍以当前的泵注排量泵注压裂携沙液，携沙液中加入支撑剂以支撑延展的裂缝，最后在施工停泵前几分钟，泵注顶替液沟通岩层裂隙，从而实现对坚硬顶板压裂范围和弱化程度的控制，最终达到降低工作面顶板压力实现安全生产的目的2。2.2 水力压裂目标层确定垮落带以下范围内的厚大坚硬岩层大面积垮落是造成工作面强矿压显现的根源，应从破坏顶板结构完整性入手，从而达到减小周期来压步距、减弱矿压显现的目标。本次水力压裂的目标层应为垮落带以下范围内的厚大坚硬岩层。通过“三带”判别法和岩石碎胀系数法确定垮落带高度在 4070 m 之间3-4，对照图 2 分析 3-5#煤层顶板 070 m 范围内厚硬岩层所处层位，确定序号 1、2、4 砂岩岩层为压裂目标层。按照空间相邻关系可分为两层，即序号 1 和 2 组成第一压裂目标层，目标层厚 16.75 m；序号 4 为第二压裂目标层，目标层厚 22.34 m。2.3 垂直钻孔位置确定现 场 试 验 地 表 压 裂 人 工 裂 缝 半 径 可 达133.9176.5 m，故沿工作面走向方向，在中线上每间隔 200 m 施工一口垂直钻孔至煤层顶板。施工垂直钻孔时，工作面已回采 395 m，剩余可采长度为 1250 m，因此沿工作面走向，在中部施工 5 个垂直钻孔进行压裂可覆盖整个工作面。钻孔详细参数见表 1。表 1 钻孔位置参数表钻孔地面标高/m3-5#煤底板标高/m完孔深度/mTX114781054404TX214921052420TX314981042436TX414981048430TX5149910334462.4 垂直钻孔施工设计钻孔结构为两次开钻成孔，在施工时，第一次开钻穿至比较稳定的基岩下 10 m 终孔，下表层套管后水泥固井，水泥返高至地表，选用钻头直径为 425 mm；第二次开钻穿至 3-5#煤顶板，不揭露煤层，测井后，下入生产套管和固井试压后终孔，选用钻头直径为 215.9 mm。2.5 射孔压裂施工垂直钻孔施工完毕后对压裂目标层进行水力喷砂射孔压裂，形成初始裂缝。水力喷砂射孔压裂技术原理是采用携砂高压前置液，将套管、水泥环、地层射穿，并实施压裂或酸化，射孔、压裂一次完成，一次下管可实现多层射孔压裂作业。射孔位置应在目标层底板上方 1/3 位置处，以使得在矿山压力作用下岩层断裂5-6。工作面射孔压裂示意图如图 3、图 4。图 3 射孔压裂钻孔布置平面图（m）图 4 射孔压裂钻孔剖面图1692023 年第 5 期蔡红博：地面水力压裂坚硬顶板治理强矿压技术研究蔡红博：地面水力压裂坚硬顶板治理强矿压技术研究第一压裂目标层压裂时间 37 min，总流量 170 m3，压力约 21 MPa；第二压裂目标层压裂时间 58 min，总流量 240 m3，压力约 41 MPa。3 现场施工效果检验为进一步检验地面垂直钻孔水力压裂效果，明确压裂半径，了解压裂范围，以确保地面水力压裂实施过程中起到了预期效果，判断 8106 工作面开采过程中顶板破断状况，为动力灾害预警提供依据，进行了微震监测和矿压监测。3.1 微震监测在工作面布置微震监测系统，8106 工作面共配备 24 个顶板检波器。其中：回风巷安装 9 个检波器（1#9#），1#检波器位于工作面开采位置前方400 m 处，检波器间距为 100 m；运输巷安装 9 个检波器（10#18#），10#检波器位于工作面开采位置前方 400 m 处，检波器间距为 100 m。压裂影响区内外的微震监测结果如图 5 所示。通过对比压裂前后微震事件，微震事件频次明显降低，微震活动密集区范围减小，表明压裂后覆岩破坏程度较高，受采动影响覆岩活动较为缓和，覆岩活动对工作面生产影响程度降低。图 5 微震监测结果图3.2 矿压观测采用该技术后，压裂影响区内，来压强度明显降低，周期来压步距缩短，来压范围及持续时间减小。压裂前、后来压时支架工作阻力对比情况如图6 所示。压裂前的数据选择时间为 1 月 15 日2 月7 日，与图 6（a）对应，工作面推进 115 m，共经历 9 次来压，来压步距 4.819 m，平均 12 m，来压持续 2.47.2 m，平均 4.8 m。压裂后的数据选择时间为 2 月 8 日2 月 28 日，与图 6（b）对应，工作面推进 103 m，共经历 8 次来压，来压步距1425 m，平均16 m，来压持续2.410 m，平均5.9 m。（a）压裂前（b）压裂后图 6 支架工作阻力分布图（m）4 结论1）应用地面水力压裂技术可通过地面垂直钻孔和水力喷砂射孔方式精准压裂弱化综放工作面上覆坚硬岩层。2）施工方案设计时，要把握垂直钻孔布置方式和水力压裂目标层 2 个关键。地面垂直钻孔布置方式主要取决于压裂后产生的裂缝半径，水力压裂目标层主要是工作面垮落带范围内的厚硬岩层。3）微震监测和矿压观测结果表明，在地面水力压裂实施后，工作面顶板覆岩活动较未压裂区更为缓和，工作面周期来压步距明显缩短，来压强度显著降低，有力地保障了工作面的安全开采。【参考文献】1 徐学标.伊田煤业坚硬顶板水力压裂弱化技术研究 J.山东煤炭科技，2022，40（08）：93-95.2 赵艳军.高瓦斯矿井动压巷道水力切顶卸压技术（下转第 173 页）1732023 年第 5 期 王万里等：郭屯煤矿冲击地压危险区顶板预裂爆破卸压技术研究 王万里等：郭屯煤矿冲击地压危险区顶板预裂爆破卸压技术研究管；囊袋封孔长度不少于 10 m。起爆使用 FD150-200T 型发爆器起爆，孔内雷管采用并联连接，多孔时采用孔间串联、孔内并联装药结构。使用锚索芯钢筋将水胶药柱被筒两壁穿透作为防滑装置，成“一”字型，每 1 m 做 1 处防滑装置，防止炸药脱落。雷管与爆破引线连接部位要用绝缘胶布密封好。预裂爆破装药参数见表 2，装药结构如图 4。表 2 2306 工作面爆破参数及说明表参数走向孔倾向孔顺槽顺槽实体煤侧1#2#3#4#钻孔总长度/m21222327仰角/（）85756550装药段长度/m10101113封孔段长度/m11121214钻孔直径/mm75757575装药要求装药线密度不小于 2 kg/m，装药不耦合系数不大于 1.3爆破方式正向装药一次起爆炸药型号水胶炸药：装药管外径（631）mm；装药管长度（100010）mm；主装药密度 0.901.25 g/cm31.毫秒延期电雷管；2.水胶炸药柱；3.雷管脚线；4.封孔囊袋、封孔剂；5.防滑倒刺图 4 装药结构图3）2306 工作面顶板预裂卸压效果2306 工作面采用两顺槽进行顶板预裂爆破的技术对顶板进行卸压，有效破坏该工作面煤层上方 30 m 范围平均 20.98 m 厚的中砂岩，有效防范了大面积的悬顶；破坏了坚硬、厚度较大、完整性好的顶板，有效防止顶板积聚大量弹性能，降低了顶板的能量积聚，避免顶板失稳性破断，防止了短时间内释放大量弹性能，有效避免诱发冲击地压灾害。4 结论1）本文基于 2306 工作面的生产地质条件，对该工作面区域冲击危险性进行分析，认为煤层开采深度达到冲击地压发生的临界值；该工作面煤层上方 30 m 范围内存在 20.98 m 厚中砂岩，容易引起大面积的悬顶，积聚弹性能；工作面揭露多条断层严重增大了冲击地压的风险。2）提出了采用顶板预裂爆破的技术对顶板进行卸压，预防冲击地压的产生，并根据现场情况设计了顶板预裂爆破方案，现场方案实施后支架前方的压力明显降低，显示卸压效果较好。【参考文献】1 窦林名，周坤友，宋士康，等.煤矿冲击地压机理、监测预警及防控技术研究J.工程地质学报，2021，29（04）：917-932.2 窦林名，阚吉亮，李许伟，等.断顶爆破防治冲击地压技术体系及效果评价研究 J.煤炭科学技术，2020，48（01）：24-32.3 何江，窦林名，王崧玮，等.坚硬顶板诱发冲击地压机理及类型研究 J.采矿与安全工程学报，2017，34（06）：1122-1127.4 张德飞，张庆林，赵卫东，等.华丰煤矿冲击地压分析与防治措施 J.煤炭科学技术，2020，48（S2）：111-117.5 赵猛，张晓明，王楠，等.深部坚硬顶板厚煤层开采冲击地压规律及防治技术 J.煤矿安全，2020，51（01）：89-93.6 窦林名，王盛川，巩思园，等.冲击地压风险智能判识与监测预警云平台 J.煤炭学报，2020，45（06）：2248-2255.7 周澎.特厚煤层综放开采冲击地压防治技术与实践 J.煤炭科学技术，2011，39（04）：35-39.（上接第 169 页）研究 J.山东煤炭科技，2022，40（08）：20-22.3 聂飞.水力压裂切顶卸压技术在南庄煤矿应用与实践 J.山东煤炭科技，2022，40（07）：47-49.4 王进海.米山煤业 15103 工作面水力压裂坚硬顶板技术研究 J.山东煤炭科技，2022，40（07）：64-66+69.5 吴拥政.回采工作面双巷布置留巷定向水力压裂卸压机理研究及应用 D.北京：煤炭科学研究总院，2018.6 王海洋.复合坚硬顶板变形破断特征及对矿压显现的影响规律 D.重庆：重庆大学，2017.