水力压裂技术在综采工作面过硬岩断层中的应用_吕刚.pdf

为了解决红阳三矿西三上采区 703 综采工作面过断层坚硬岩层期间安全顺利回采的问题，通过对工作面工程地质与生产技术条件分析，运用数值模拟技术对异构岩石中的水力裂纹重定向过程进行研究，形成了一套水力压裂安全过断层的技术工艺。经现场应用，工作面水力压裂区域岩石湿润且破碎程度明显提高，割煤机顺利通过断层影响区域。关键词 综采；断层；水力压裂 中图分类号 TD823.97 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.05.029Application of Hydraulic Fracturing Technology in Fully Mechanized Mining Faces Passing through Hard Rock FaultsL Gang(Shenyang Coking Coal Co.,Ltd.,Xima Coal Mine,Liaoning Liaoyang 111302)Abstract:In order to solve the problem of safe and smooth mining during the period when the 703 fully mechanized mining face passes through fault hard rock layers in the west third upper mining area of Hongyang No.3 Mine,by analyzing the engineering geology and production technology conditions of the working face,and using numerical simulation technology to study the hydraulic crack redirection process in heterogeneous rocks,a set of hydraulic fracturing safety fault crossing technology is formed.After on-site application,the rock in the hydraulic fracturing area of the working face is moist and the degree of fragmentation is significantly improved,and the coal cutter smoothly passes through the affected area of the fault.Key words:fully mechanized mining;fault;hydraulic fracturing收稿日期 2022-10-16作者简介 吕刚（1976），男，辽宁昌图人，辽宁工程技术大学资源与环境专业在读研究生，采矿高级工程师，现为沈阳焦煤股份有限公司西马煤矿矿长，从事煤矿管理工作。吕 刚：水力压裂技术在综采工作面过硬岩断层中的应用吕 刚：水力压裂技术在综采工作面过硬岩断层中的应用1 概况沈阳焦煤股份有限公司红阳三矿西三上采区703 综采工作面位于 2#回风联络道以南，东邻 701采空区，西、南两侧及工作面上下为未采区，工作面主采煤层为 7 号煤层，由 7-1 煤、7-2 煤和 7-3 煤组成。7-1 煤平均厚 0.35 m；夹矸泥岩，平均厚 0.80 m；7-2 煤平均厚 0.45 m；夹矸泥岩，平均厚 0.15 m；7-3 煤平均厚 1.30 m。工作面内 3F223（010 m）断层横穿整个工作面，断层带岩石抗拉强度 4.295.88 MPa，若采用传统搬家跳采的方法，不仅影响回采效率、增加成本，也会对矿井的生产接替带来影响。因此，需进行工作面过断层带坚硬岩石弱化技术研究。2 水力压裂裂纹扩展数值模拟采用二维离散元软件 UDEC 流体模块分析水力压裂过程，研究在异构岩石中的水力裂纹重定向过程。2.1 岩石异构性影响图 1 给出了编号 1-1 到 1-5 中水力裂纹重定向轨迹，岩石不均质系数从 2 增加到 10。（a）编号 1-1 模拟结果882023 年第 5 期（b）编号 1-2 模拟结果（c）编号 1-3 模拟结果（d）编号 1-4 模拟结果（e）编号 1-5 模拟结果图 1 高应力状态下岩石异构性的影响在每次模拟中应力差大小被设定为7.5 MPa时，如图 1 所示，从图（a）、图（b）模拟的情况可以看出，两种情况下水力裂纹重定向轨迹大致一致，在达到 17.2 MPa 之前，都经历较长重定向距离。从图（c）到图（e）模拟中，水力裂纹从射孔起裂之后，相较于前两组并没有经历较长重定向距离，而是直接朝着最大水平应力方向扩展。当被施加应力差 3.0 MPa 时，水力裂纹重定向轨迹在不均质系数为 2 和 4 的模拟中，都经历较长重定向距离，而从 6、8 和 10 的模拟中，发现水力裂纹重定向轨迹非常陡峭。通过对比可以发现，在更加均质岩石中，水力裂纹更容易受到高应力差状态影响，不管是处于高应力差（7.5 MPa）还是较低应力差条件下（3.0 MPa），对于更加异构岩石，可以发现明显水力裂纹沿着射孔方向扩展。表 1 建模场景分组编号岩石种类不均质系数应力差大小/MPa第一组1-1砂岩27.51-2砂岩47.51-3砂岩67.51-4砂岩87.51-5砂岩107.5第二组2-1砂岩23.02-2砂岩43.02-3砂岩63.02-4砂岩83.02-5砂岩103.0第三组3-1砂岩27.53-2花岗岩27.53-3砂岩23.03-4花岗岩23.03-5砂岩107.53-6花岗岩107.53-7砂岩103.03-8花岗岩103.02.2 岩石强度的影响对相对异构及相对均质花岗岩试样进行侧向受限压缩模拟和巴西劈裂模拟。模拟结果表明在相对异构花岗岩试样中，轴向劈裂是主要破坏方式。在巴西劈裂模拟中，如果被模拟岩石均质程度较低，花岗岩试样拉伸破坏面则变得不平整。水力裂纹重定向取决于所有影响因素联合作用。如果岩石所受到应力差大小较低（3 MPa），较低岩石均质系数和较高岩石强度有利于水力裂纹沿着射孔方向扩展。在高应力差条件下，岩石异构性和岩石强度影响则变得十分有限。只要在低应力差环境下进行水力压裂作业，在坚硬岩石中，岩石异构性可以导致不规则水力裂纹轨迹。如果岩石强度较高可以提高射孔对水力裂纹传播引导。892023 年第 5 期吕 刚：水力压裂技术在综采工作面过硬岩断层中的应用吕 刚：水力压裂技术在综采工作面过硬岩断层中的应用3 水力压裂方案设计根据前述数值模拟研究成果，结合矿井实际，采用上下两排炮眼爆破、中间一排炮孔进行水力压裂的方案。通过爆破冲击气体使裂隙进一步发展并与水力压裂裂隙相互贯通，将岩体切割成彼此相对独立块体，以达到破碎断层带坚硬岩石目的，最后再用割煤机切割破碎硬岩，减小割煤机磨损，提高工作效率。爆破孔的间距为 3 m，深度为 1.1 m，按照五花眼布置，如图 2 图 4，压裂施工示意如图 5。图 2 爆破孔布置示意图 图 3 水力压裂钻孔布置示意图图 4 水力压裂方案（mm）图 5 现场实施示意图技术要求：1）钻孔施工过程中要严格控制钻孔的偏斜度，同时降低钻机的钻速及进给力，确保钻孔按一个方位钻进，以保证水力压裂效果；2）水力压裂段尽量选择岩层完整段；3）水力压裂过程由孔底至孔口逐渐慢速进行，同时按设计及钻孔周围顶板出水情况，合理确定注水时间；4）压裂过程中要注意现场安全，按设计距离拉好警戒线，安排专人值守，对压裂管的接头部位要进行严格检查，确保密封完好不漏液，现场施工人员也严禁从钻孔前通过，以防水管伤人；5）乳化液泵需调试安全，压裂时先把卸压阀开到最大再开始运转乳化液泵，停止压裂时先把卸压阀开到最大再停止乳化液泵。4 效果及要点总结工作面水力压裂区域岩石湿润且破碎程度明显提高，水力压裂对该区域坚硬岩石进行了有效压裂，在爆破作用下达到进一步破碎，割煤机能以较小磨损安全地对坚硬岩石进行有效切割。效果总结为：1）充分压裂之后的坚硬岩石，对压裂孔不进行放炮处理，割煤机能够完成切割，对压裂孔进行压裂+放炮的处理，能保证割煤机有效切割；2）水力压裂方法处理后，减少2/3爆破孔数量；3）水力压裂适用于岩石较完整部分，若该处岩石本身就比较破碎，影响水力压裂效果；4）多次试验结果表明，胶囊长度 70 cm 单封型封孔器适用于红阳三矿的现场条件，封孔器在压裂前应将堵头螺纹拧到适当位置，否则会造成封孔器未充分膨胀或高压水难以进入压裂孔；5）压裂孔的深度应达到 1.8 m，封孔长度达到1.1 m，压裂孔与其他孔之间间距应保持在3 m左右，距离太近会导致压裂液大规模“逃逸”，影响压裂效果；6）应充分保证压裂时间，压裂时间应维持在15 min 左右；7）对于底板或者顶板比较坚硬部分，可适当增加爆破孔数量，提高破岩效果。5 结语703 综采工作面 3F223（010 m）断层带原采用松动爆破方式处理，但效果不明显，采用水力压裂后，减少近 2/3 的钻孔和炸药量，提高了经济效益，煤机能够顺利切割处理后的硬岩，降低了煤机故障率，提高了开机率。