水力压裂切顶卸压技术在18106工作面中的应用_高探军.pdf

技术应用水力压裂切顶卸压技术在 18106 工作面中的应用高探军（山西焦煤西山煤电集团斜沟矿，山西兴县033600）摘要：为了解决斜沟矿 18106 工作面受采动影响巷道变形严重问题，采用水力压裂技术在超前工作面进行定向水力压裂切顶卸压来削弱巷道附近的高集中应力，以此达到使巷道处于低压区的目的。结合 18106 工作面的地质条件，对水力压裂钻孔相关施工参数进行确定并进行工业性试验。现场监测效果表明，采用水力压裂处理技术后，巷道在回采时承受超前压力影响，巷道两帮移近量最大为 135 mm，顶底板最大移近量为 50 mm，压裂后巷道围岩变形量减小，巷道稳定性良好。关键词：水力压裂；切顶卸压；围岩变形；围岩应力中图分类号：TD322文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）05-0209-030引言随着矿井采掘深度的不断延伸，在开采深部煤层时矿压问题进一步凸显，严重制约矿井安全生产。坚硬难垮顶板是指赋存在开采煤层正上方的直接顶厚度较大的或厚度较小的直接顶上面存在厚度大而稳定、坚硬的砂岩、砾岩或石灰岩等岩层，普遍具有顶板岩石致密性强、抗弯曲强度较大、节理裂隙不明显、整体性较好，自身承载能力强等，在工作面回采过程中，经常出现采空区大面积悬顶不冒落情况，一旦冒落，会形成大面积、强烈的周期性来压，且来压时有明显的动力现象，造成支护设备损坏，甚至出现危及人身安全的事故。水力压裂切顶技术作为一种成本低、施工简单、工艺不交叉、安全性较高的坚硬顶板处理技术，可有效降低附近采空区巷道受动压的影响程度，降低支护难度，使顶部岩层定向压裂、损坏顶板岩层保持完整性，从而减弱顶板的强度以及整体性，使采空区顶板能够分层分次垮落1，减短初次压力和周期压距离，以达到降低或消除坚韧难垮顶板对工作面回采危害的目的。1矿井概况斜沟矿位于山西省吕梁兴县北 50km 处，矿区南北长约 22 km，东西宽约 34 km，矿井面积约 88.6 km2，矿井设计生产能力 1 500 t/年。18106 位于该矿 11采区主要开采 8 号煤层，东部为 18108 回采工作面，西部为 18104 回采工作面，南部为实煤区，北部为11 采区三条上山。18106 工作面长 296.7 m，走向长7 239.6 m，倾向长 2 638.23 365.4 m，面积 14.8 km2。开切眼宽 9.5 m，高 3.7 m 布置在工作面的南侧，沿 8号煤层顶板布置，留有部分顶煤，切眼顶板锚杆支护密度高。工作面开采标高为+705+1 023 m，盖山厚度为 50380 m。8 号煤层直接顶为中细粒砂岩，平均厚度 2.46 m；直接底为泥岩，平均厚度 1.04 m，基本底为细粒砂岩，平均厚度 3.03 m。由于 18106 工作面顶板为典型的厚度超过 10 m 的，强度较高、完整性高、自身承载能力强的砂岩顶板，在工作面回采中，极易造成采空区大面积悬顶、第一次来压和周期来压距离较大，矿压呈现尤为明显等问题。2水力压裂原理及工艺2.1水力压裂工作原理初采初放过程中，水力致裂提前切断老顶，减少初次放顶的垮落步距，提高初期的回采率；正常回采致裂用脉冲与常规组合水力致裂，通过脉冲泵的高频冲击作用在坚硬煤体内的各个方向形成大量的裂缝，不仅提高了裂缝的数量，而且突破了节理、层理对均匀压裂的制约，然后通过更换成高压泵，对脉冲形成的水压裂缝进行进一步补充压裂，持续增大裂缝的扩展范围，有效减小顶煤块度。水力致裂破碎顶煤的同时，提高了顶煤的含水率，也有利于工作面的防灭火和工作面的防尘2。2.2水力压裂工艺水力压裂包括打孔、封孔、高压水压裂、保压注水、压裂监测等主要工序。施工致裂孔安装致裂泵连接铺设高压胶管安装封孔器孔口加装防冲装置泵前孔后 20 km 设警戒开泵前检查启动致裂泵（调压阀打到零位）检查各连接管路、仪表接口（如有问题停泵处理）关掉注水阀打开封孔阀逐渐加压至 20 MPa 关闭封孔阀打开注水阀逐渐加压至最高检查封孔情况（如有问题停泵处理）记录好各数据观察孔口前后 10 km 漏水情况观察压力波动压力下降停泵采用窥视仪收集孔内裂缝信息。该压裂系统如下页图 1 所示。使用横向切槽钻头，预制横向切槽。采用高压注水泵为封隔器更加压力使胶筒逐渐膨胀，达到封孔目的后，密封封孔器，打开注水铁管截止阀，连接高压泵收稿日期：2022-03-12作者简介：高探军（1992），男，本科，工程师，主要从事煤矿生产技术管理工作。总第 208 期2023 年第 5 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 208No.5，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.05.079山西冶金E-mail:第 46 卷图 1压裂系统组成进行压裂。封孔压力为 1216 MPa，按照图 1 连接管路，保证连接处密封完好，试压到达要求值后再进行使用。试压时压力到 25 MPa 检查密封状况。3现场试验3.1钻孔布置根据 18106 工作面概况图显示，18106 工作面直接顶为厚 2.46 m 左右中细粒砂岩，老顶为厚度超过12 m 厚层中粗粒砂岩，岩层完整性较好。煤层采高为6.14 m，压裂垂高设计在 1520 m，由于压裂半径可达10 m 左右，故压裂影响垂高应在 54 m 左右。具体水力压裂过程中可以针对性地进行预裂，以达到更好的压裂效果。根据矿井生产地质报告中提供的顶板岩性强度，其中砂岩抗压强度平均 10.7MPa，最大为 13.6 MPa，属于软岩层；而砂岩抗压强度平均为 56.1 MPa，最大为 60.8 MPa，属于坚硬岩层。开切眼布置在工作面的南侧，沿 8 号煤层顶板布置。根据水力压裂理论、最大拉应力准则及 18106 工作面切眼顶板岩层结构、岩层厚度、岩性及采高，结合弹性理论、工作面顶板条件及在其他矿井的高压水预裂经验，可估算 18106 综采工作面初采初放高压水预裂压力约为 1060 MPa。即要想达到压裂效果，静水压力应不小于岩石的单轴饱和抗压强度，即不小于56.1 MPa；同时由于压裂岩石为三向受压状态，故静水压裂需要适当加大，最大压力选择 60.8 MPa。在18106 胶带顺槽内 1 500 m 左右至停采线附近，施工长度为 1 500 m；沿顺槽轴向方向布置压裂钻孔 S，钻孔与顺槽夹角 510，孔间距 10 m，距煤柱侧帮不超过 1 m；钻孔长度 40 m，倾角 4550；采用倒退式压裂，间隔 3 m 压一次，初步确定压裂范围为从距离孔口 12 m 到孔底。见图 2。3.2设备安装高压致裂泵和脉冲泵及过滤水箱运送到指定地点后，平整场地按致裂泵、过滤水箱、脉冲泵的先后顺序按放，用三通球形截止阀将静压水通过 51 mm 高压水管引入过滤水箱，连接泵与水箱的连接管，安装压力表，安装水力检测仪。打开排气阀排掉泵内空气，高压致裂泵和脉冲泵安装完毕。高压致裂泵和脉冲泵安装完毕后，依次启动两台泵开始调试。将泵调压阀调到零位，开泵观察电机转向是否正确。查看供水是否正常。检查各仪表、连接管接口是否漏水。将出水口关闭，将调压阀逐渐加压，测试泵的最高压力和达到最高压力后安全阀是否能自动打开。3.3压裂技术要求使用后退式单孔多次压裂，间隔 3 m 压裂一次，次数可以依据钻孔查看和岩层钻探硬度进一步调整。如果顶板出现异常响动和大面积积水，立即暂停压裂；压裂时长暂时设定为 30 min，依据水压情况和岩层出水进行调整；钻孔施工和钻孔压裂同时作业，间距不少于 30 m3。3.4压裂注意事项高压注水钢管连接封孔器逐根推送入钻孔中后首次压裂位置为孔底 11.5 m，后退式分段预裂，边压裂边撤杆，即从钻孔底部向孔口逐次压裂注水。压裂注水过程中，保证一定的注水时间，确保压裂、软化充分，同时安排专人检查压裂孔周围顶板，当有大量水从顶板中流出时，停止压裂注水；压裂过程中，安排专人观测顶板支护情况，出现顶板变形、锚杆断裂时，立即停止该孔压裂，在压裂 60 m 范围内设置临时支护。所有工程施工期间，若遇到顶板、帮部条件不好或有异常状况，必须及时采取加强支护措施。使用槽钢和锚杆在孔口处做一防冲装置，当封孔器突然泄压射出孔内时，使其起到卸力保护作用。高压水力致裂过程中，致裂泵前 10 m 孔口后 20 m 各设一道警戒，以防封孔器突然射出伤人。4现场动态监测为了评价压裂效果，在 18106 工作面胶带顺槽布置监测测站，共布置 3 个测站，每个测站设置 2 个空心包体、4 个钻孔应力计以 1 个表面位移测量点，在18106 工作面胶带顺槽对应位置同时设置表面位移测点，监测巷道表面位置变化。根据在高压水力压裂管路上的数据可知，裂缝破裂压力低于裂缝扩展压力，说明横向切槽很好地减小裂缝起裂压力。定向水力压裂时，查看钻孔有压裂流水量，压裂段与孔口距离缩小时（18 m）顶板有压裂水流出，顶板水流位置基本位于顶板锚索或锚杆处，距压裂段约为 15 m。通过压裂得出，分段逐次压裂时，钻孔中也会有水流出。把监测孔与压裂孔的间距调整为 25 m 时压裂时，监测孔压裂水流出量就很少，并且出水的监测孔水量较小。5结论通过在斜沟矿 18106 工作面开展的水力压裂切顶卸压技术控制坚硬顶板研究，主要得出如下结论：采图 2水力压裂钻孔平面布置图监测仪封孔器煤层高压管压力表流量计水管高压管截止阀压力传感器水箱连接件压裂泵变速箱18104 胶带顺槽18104 回风顺槽18104 工作面2102023 年第 5 期表 5使用 FeTi30 替代 FeTi70 钢种合金成本对比7.67 元/t，ML20MnTiB 钢种合金成本节约 10.30 元/t。降本效果显著。4结论炼钢企业可以通过以下技术措施降低生产成本，提高产品的盈利水平。1）含有 Mo、Ni、Cu 等贵重金属元素的特殊废钢的回收利用。2）连铸头尾坯优化，减少甩坯量，提高成坯量。3）提高连铸机的连浇炉数，可以降低连铸生产成本。4）使用低价合金替代高价合金，可以降低合金成本。参考文献1石磊.技术进步在降低炼钢成本中的作用J.科技创新导报，2013（6）：69.2黎想平.武钢合理使用特殊废钢减少合金加入量降低炼钢成本的实践C/中国金属学会.第十五届全国炼钢学术会议文集，2018：27-30.3商思凯，孙义.提高小方坯连铸连浇炉数的技术措施及其应用J.黑龙江冶金，2006（1）：29-30.4刘乐东，李英武，李彦军.北兴特钢连铸中间罐快换的生产实践J.连铸，2005（5）：14-15.（编辑：苗运平）钛铁牌号合金单价/（元 kg-1）钢种10B21ML20MnTiB单耗/（kg t-1）单位成本/（元 t-1）单耗/（元 t-1）单位成本/（元 t-1）FeTi30-B7.851.9515.312.6020.44FeTi70-A25.820.8922.981.1930.74合金成本降低7.6710.30Practice of Cost Reduction and Efficiency Enhancement Technology in the Whole Process ofSteelmakingYuan Baoguo,Song Yixin（No.1 Steelmaking Plant,HBIS Group Hansteel Company,Handan Hebei 056015）Abstract:Based on the production characteristics of special steel,through cost analysis,operational suggestions are proposed:to recyclespecial scrap steel containing precious metal elements such as Mo,Ni,Cu,etc.,optimize the continuous casting head and tail billets,increase the number of continuous casting furnaces of the continuous casting machine,and use low-cost alloys to replace high priced alloys.The production practice on the No.2 continuous casting machine in a certain factory has shown that adopting the above cost reduction andefficiency enhancement technology can effectively reduce the production cost of steelmaking,providing reference for special steel productionenterprises.Key words:special steel;low cost;process optimization（上接第 178 页）用水力压裂处理技术后，裂缝扩展半径约为 3035 m，工作面在推进 12.5 m 开始垮落，老顶的初次来压布距为 33 m，周期来压距离平均为 15 m，来压强度低，压力不明显。采用水力压裂处理技术后，巷道在回采时承受超前压力影响，巷道两帮移近量最大为 135 mm，顶底板最大移近量为 50 mm。通过现场监测和顶板垮落过程得知，水力压裂区域范围内未出现明显顶板压力增高区，有效缓解了临近工作面的动压影响。参考文献1王振.水力压裂切顶卸压技术在煤峪口矿 8712 工作面的应用研究J.煤矿现代化，2020（4）：4.2孙志勇，张镇，王子越，等.水力压裂切顶卸压技术在大采高留巷中的应用研究J.煤炭科学技术，2019，47（10）：8.3杨健.水力压裂切顶卸压技术在王坡煤矿的应用J.煤炭工程，2019，51（S1）：71-74.（编辑：赵婧）Application of Hydraulic Fracturing and Top Cutting Pressure Relief Technology in 18106Working FaceGao Tanjun（Shanxi Coking Coal Xishan Coal Electricity Group Xiegou Mine,Xingxian Shanxi 033600）Abstract:In order to solve the serious problem of roadway deformation caused by mining in the 18106 working face of Xiegou Mine,hydraulic fracturing technology is used to perform directional hydraulic fracturing and roof cutting pressure relief in the advanced workingface to weaken the high concentrated stress near the roadway,in order to achieve the goal of keeping the roadway in a low-pressure zone.Based on the geological conditions of the 18106 working face,the construction parameters related to hydraulic fracturing drilling weredetermined and industrial tests were conducted.The on-site monitoring results showed that after using hydraulic fracturing treatmenttechnology,the roadway was subjected to advanced pressure during mining.The maximum displacement of the two sides of the roadway was135 mm,and the maximum displacement of the top and bottom plates was 50 mm.After fracturing,the deformation of the surrounding rockof the roadway was reduced,and the stability of the roadway was good.Key words:hydraulic fracturing;cutting top pressure relief;deformation of surrounding rock;surrounding rock stress高探军：水力压裂切顶卸压技术在 18106 工作面中的应用211