水力压裂在采煤工作面初次放顶中的应用.pdf

总第2 1 3 期2023年第8 期生产与应用摘要：当开采煤层顶板坚硬时，初次来压步距及周期来压步距较大，在来压期间矿压显现显著并往往伴随瓦斯异常涌出、煤壁片帮等问题，给采面生产带来影响。山西某矿回采的5#煤层顶板为坚硬的中粗砂岩、石灰岩，采面回采时面临来压步距大、矿压显现显著以及采空区瓦斯涌出量大等问题，为此提出将水力压裂技术应用到坚硬顶板处理中。以3 5 0 6 综放工作面为工程实例，对水力压裂钻孔布置方案进行设计，并进行工程应用。现场应用后，采面顶板强度显著降低，采面初次来压步距、周期来压步距分别降至3 0 3 8 m、2 8 3 5 m，可为采面初采创造良好条件。关键词：煤炭开采；坚硬顶板；水力压裂；来压步距中图分类号：TD327.2现阶段国内井工开采矿井普遍采用全部垮落发管理顶板，但是当开采煤层顶板为完整性好、稳定性强以及厚度较大的坚硬顶板时，顶板无法实现随采随垮,往往导致采空区大面积悬空 1-3 。采空区悬空顶板不仅导致采面瓦斯涌出量增大、矿压显现异常而且当顶板突然垮落时会导出现剧烈动力冲击灾害，给煤炭正常开采带来显著影响。众多的研究学者展开研究，其中薛德平 5 等针对坚硬顶板采空区悬空面积大问题，采用深孔预裂爆破方式进行放顶，实现了顶板弱化，降低采空区顶板悬空面积；齐学元 6 采用深孔注水方式对顶板进行控制，明显降低了顶板初次来压步距。深孔预裂爆破在操作时容易产生有害气体,同时爆破冲击较为显著，而水力压裂采用高压水弱化顶板，使用过程中不会产生有毒有害气体 7-9 。文中就以山西某矿3 5 0 6 综放工作面回采为背景，提出将水力压裂技术应用到初次放顶中，以期达到改善采面环境、提高煤炭生产效率目的。1工程概况3506综放工作面回采的5#煤层埋深均值4 5 0 m，煤层厚度5.3 9 m，采高2.9 m、放煤高度2.4 9 m，采面设计推进1 2 0 5 m、斜长1 4 8.5 m。5#直接顶为中粗砂岩，厚度1 5.9 5 m，硬度8 1 2;基本顶为石灰岩，厚度12.35m，硬度7 1 3，属于坚硬顶板。煤层底板为泥岩、砂质泥岩,厚度2.6 m。由于采面回采的5#煤层顶板坚硬，加之开采高度大，若采空区顶板悬空面积过大则会导致采面矿压显现异常、瓦斯涌出量增大等问题。为此，提出采用水力压裂技术对初次放顶进行弱化，实现采空区顶板及时垮落2水力压裂技术应用2.1技术原理当开采煤层顶板为坚硬岩层时，随着采面回采顶板由于厚度大、稳定、强度高，难以垮落，容易在采空收稿日期：2 0 2 2-0 8-0 3作者简介：王伟，男，1 9 8 6 年出生，毕业于太原理工大学，本科，工程师，从事采煤技术相关工作。山西化工Shanxi Chemical Industry水力压裂在采煤工作面初次放顶中的应用王伟（山西焦煤汾西矿业（集团)双柳煤矿，山西柳林0 3 3 3 0 0）文献标识码：A区上覆形成较大面积的空顶区,随着回采不断推进采面区空顶面积不断增加，当悬空距离超过顶板极限跨度时,出现切断或者弯曲下沉破断形式；在破断时往往伴随瓦斯异常涌出、矿压异常显现、冒顶或者片帮等情况，影响煤炭正常生产。顶板初次垮落后，随着采面推进顶板周期垮落步距仍较大，形成悬臂梁结构，此时顶板结构较为稳定，顶板周期破断距离较长，破断时会产生较为明显的冲击动力现象。因此,为降低坚硬顶板影响，在采面切眼、回采巷道掘进完成后，可提前对上覆坚硬顶板进行弱化，达到控顶目的。采用水力压裂技术对坚硬顶板进行处理，通过软化坚硬顶板达到弱化甚至消除坚硬顶板悬顶效应，减小顶板初次垮落、周期垮落步距。通过水力压裂技术对顶板进行弱化时，需提前施工水力压裂钻孔以便控制水力压裂范围、诱导水力压力方向；在水力压裂钻孔施工完成后，在钻孔内间隔1 0 m进行横向切槽作业，以便更好的控制水力压裂裂隙扩展方向。通过提前对坚硬顶板进行弱化，当采面推进过弱化区后顶板可及时垮落至采空区内。2.2水力压裂方案及压裂流程水力压裂地面位于3 5 0 6 综放工作面，为降低压裂对切眼设备安装影响,将水力压裂钻孔布置在采面胶带顺槽、轨道顺槽内。临近的3 5 0 4、3 5 0 3 综放工作面回采期间，由于未对顶板进行处理,采面初次来压步距4 5 5 5 m、周期来压步距分别为3 5 4 2 m，来压时采面综放支架受力明显增加，回风隅角瓦斯量显著增大。为此，采用水力压裂技术在3 5 0 6 综放工作面初采期间进行顶板弱化。具体回采巷道内弱化钻孔布置，如图1 所示。2.3压裂基本操作流程沿着施工的水力钻孔，采用KZ54型切槽钻头在水力压裂段制作切槽；退出钻杆，采用钻孔窥视仪观Total 213No.8,2023D0I:10.16525/14-1109/tq.2023.08.047文章编号：1 0 0 4-7 0 5 0(2 0 2 3)0 8-0 1 2 3-0 3山西化工 第4 3 卷均较大,矿压显现明显且顶板垮落期间瓦斯涌出量显70m1-1倾向布置图轨道顺槽3506综放工作面胶带顺槽20ml1-2走向布置图图1 水力压裂钻孔布置图察开槽效果，若效果较差时则可再次补开槽。采用注水管将封隔器(跨式膨胀型)送至切槽处，并连接高压胶管、手动泵等装置对封隔器进行加压，以便对横向切槽段进行封孔。连接高压注水泵、高压注水管、压力表等,在封隔段进行水力压裂时,应通过压力表密切关注注水压力变化情况。2.4水力压裂过程在水力压裂过程中对压裂孔邻近钻孔出水情况进行监测,以便判断钻孔间距合理性。在水力压裂过程中邻近钻孔均有出水情况，表明水力压裂产生的缝隙可与邻近钻孔孔隙联通，钻孔布置间距合理，可满足顶板弱化需要。对水力压裂过程中水压进行监测，具体轨道顺槽、胶带顺槽内水力压裂钻孔水压变化监测结果，如图2 所示。从图中看出,轨道顺槽内压裂孔压力最大为2 8.9 MPa，顶板岩层中缝隙扩展一般为26MPa。在水力压裂过程中水压变化平稳，未出现明显增高或者降低情况，表明压裂区域岩层稳定、裂隙不扩展。3025201510F512:373现场应用效果分析邻近的3 5 0 3、3 5 0 4 工作面均未对坚硬顶板进行弱化，采面在回采期间初期来压步距、周期来压步距著增大。3 5 0 6 综放工作面坚硬顶板经过水力压裂处理后，3 5 0 6 综放工作面在推进至顶板弱化区域时采面推进约2 5 3 0 m时直接顶即全部垮落,垮落石充填整个采空区。3 5 0 6 综放工作面在水力压裂顶板弱化区域内回采时，初次来压步距控制在3 0 3 8 m、周期来压步距约为2 8 3 5 m，采面来压期间综放支架压力变化不明显、采面煤壁及顶板保持稳定，同时回风隅角瓦斯涌出未明显增加。目前，水力压裂技术已在该矿后续3 5 0 8、2 5 0 7 综放工作面内应用,有效解决了采面初采期间顶板管理难度大、矿压显现异常等问题。4总结将水力压裂技术应用到5#煤层坚硬顶板弱化中，可明显降低顶板砂岩、石灰岩岩层强度、完整性，有利于采面初采期间顶板及时垮落，确保初采安全。依据3 5 0 6 综放工作面现场情况，将水力压裂钻孔布置在采面回采巷道内，钻孔间距为2 0 m、钻孔孔深70m、仰角2 0，水力压裂钻孔压裂顶板2 3.4 m，现场应用后高压水压力稳定在1 7.9 MPa,期间注水压力未有明显波动。3 5 0 6 综放工作面在水力压裂区内回采期间,采面推进2 5 3 0 m时基本顶即可全部垮落,采面初次来压步距、周期来压步距分别控制在3 0 3 8 m、2835m，来压步距较小，矿压显现不明显，可为采面初采创造良好条件。1高亚伟.麻家梁矿1 4 2 0 3-1 综放工作面开采初期顶板弱化技术研究 J.煤矿现代化,2 0 2 2,3 1(3)：7 3-7 7.2王浩华，孙小东.坚硬顶板综放面水力压裂技术研究及应用 J.山西冶金，2 0 2 2,4 5(2)：3 1 4-3 1 5.3杜振刚.金山煤业1 3 1 0 1 综放工作面放煤率提高与影响机理研究J.煤,2 0 2 2,3 1(4):6 0-6 2.4苏鹏.东周窑煤业综放工作面顶煤水力压裂技术研究 J.煤，2022,31(1):46-47.5薛德平，赵杰，冯宇峰.工作面初采预裂爆破强制放顶技术研究J.中国煤炭，2 0 1 3,3 9(2)：5 5-5 9.6齐学元.急倾斜煤层水平分段综采放顶煤注水软化技术研究 D.西安：西安科技大学，2 0 1 0.12:4712:57时刻图2 水压变化监测结果参考文献13:0713:177尹晋攀.高压水力压裂技术在综放工作面初采放顶中的应用 J.煤矿现代化，2 0 2 1,3 0(2)：1 1 8-1 2 1.8苏斌华.坚硬顶板综放工作面水力压裂控顶技术研究 J.中国矿山工程,2 0 2 0,4 9(3):4 9-5 5.9高金强.水力压裂在采煤工作面初次放顶中的应用 J.石化技术,2 0 2 0,2 7(1):3 0 8.2023年第8 期王，伟：水力压裂在采煤工作面初次放顶中的应用125Application of Hydraulic Fracturing in the First Caving of Coal Mining FacesWang Wei(Shanxi Coking Coal Fenxi Mining(Group)Shuangliu Coal Mine,Liulin Shanxi 033300,China)Abstract:When the roof of a mining coal seam is hard,the initial and periodic pressure steps are relatively large.During the pressureperiod,the rock pressure shows significant signs and is often accompanied by problems such as abnormal gas emission and coal wallspalling,which affects the production of the mining face.The roof of the 5#coal seam in a certain mine in Shanxi is composed of hardmedium coarse sandstone and limestone.During the mining process,there are problems such as large weighting step,significant rockpressure manifestation,and large gas emission from the goaf.Therefore,it is proposed to apply hydraulic fracturing technology to thetreatment of hard roof.Taking the 3506 fully mechanized top coal caving face as an engineering example,the layout plan of hydraulicfracturing driling is designed and applied in engineering.After on-site application,the strength of the roof of the mining face hassignificantly decreased,and the initial and periodic pressure steps of the mining face have been reduced to 3038 m and 2835 mrespectively,which can create good conditions for the initial mining of the mining face.Key words:coal mining;hard top plate;hydraulic fracturing;weighting step(上接第 1 1 3 页)Application Analysis of Denitration Device Based on Pulverized Coal Boiler HeatingSupplementSun Guodong,Fu Yi(Yanan Petrochemical Plant,Yanan Shaanxi 727406,China)Abstract:In order to address the shortcomings of high heating cost and poor economy in traditional selective catalytic reductiondenitrification process,a new denitrification device based on coal powder furnace heating is proposed,which solved the problems of largeamount of flue gas dust and easy blockage of the system during the application process.According to practical applications,the newdenitrification system can achieve automatic heat replenishment,reducing operating costs by 48.4%,greatly improving the economicefficiency of boiler denitrification.Key words:pulverized coal boiler;replenishing heat;denitration device;catalytic reduction(上接第 1 1 9 页）孔，对上覆坚硬的石灰岩进行弱化,并对钻孔布置方案进行设计。现场应用后,采面坚硬顶板强度明显降低,采空区顶板最大悬空面积由1 0 m6m缩小至4m4m以内,采空区顶板可及时垮落。水力压裂技术在1 5 1 3 0 5 综采工作面取得较为显著的应用成果，采面矿压显现程度有所降低，便于顶板管理。1】于进.水力压裂技术在回采面初次放顶中应用 J.山东煤炭科技,2 0 2 2,4 0(6):1 6-1 8.2陈二亮.水力压裂技术在顶板卸压和增加煤层透气性方面的应用J.煤炭科技,2 0 2 2,4 3(3):1 2 8-1 3 2.3褚永红.坚硬顶板水力压裂切顶卸压技术研究及应用 J.机械管Application of Hydraulic Fracturing Technology in Roof Management of Mining Face(Shanxi Coking Coal Fenxi Mining Industry(Group)Shuangliu Coal Mine,Liulin Shanxi 033300,China)Abstract:In response to the problems of hard and difficult roof collapse in the 151305 fully mechanized mining face,hydraulic fracturingtechnology is proposed to weaken the roof,destroy the stability of the roof rock mass,and reduce the suspended area of the goaf roof.Basedon the on-site situation of the mining face,this paper designs a hydraulic fracturing drilling layout plan for the mining face and the miningroadway,and carries out engineering applications.After on-site application,the roof of the goaf in the 151305 fully mechanized mining facecan collapse in a timely manner during the mining period,and the maximum suspended range is controlled within 4 meters 4 meters,achieving significant roof weakening effect.Meanwhile,due to the timely collapse of the goaf roof,the amount of gas leakage in the goaf canbe reduced.Key words:hydraulic fracturing;hard top plate;goaf,;rock pressure manifestation理开发,2 0 2 2,3 7(5):7 0-7 2.4高亚伟.麻家梁矿1 4 2 0 3-1 综放工作面开采初期顶板弱化技术研究 J.煤矿现代化，2 0 2 2,3 1(3)：7 3-7 7.5杨贵栋.厚硬顶板下工作面定向水力压裂顶板弱化技术试验 J.煤,2 0 2 2,3 1(5):9 3-9 5.6朱云龙，高建勇.综采工作面过上覆房采区顶板管理措施研究J.中国矿业,2 0 2 2,3 1(5)：1 2 8-1 3 4.参考文献7任增浩.坚硬顶板巷道水力压裂切顶卸压技术研究 J.山西化工,2 0 2 2,4 2(2):2 0 3-2 0 5.8侯玉杰，郝财利，闫循强.马堡煤业定向水力压裂顶板控制技术研究与应用 J.能源技术与管理，2 0 2 2,4 7(2)：8 4-8 6.9马冰，蒋威.厚硬顶板定向水力压裂分层垮落技术研究 J.煤炭技术,2 0 2 2,4 1(4):1 3-1 7.Du Guokai