榆横北区中深埋煤层开采水力压裂技术实践.pdf

收稿日期：基金项目：中煤科工集团西安研究院科技创新基金资助项目（）作者简介：李彦民（），男，陕西渭南人，工程师，主要从事矿井地质、测量、水文地质及矿井防治水等方面的技术管理工作。问题探讨榆横北区中深埋煤层开采水力压裂技术实践李彦民，方刚，郑凯歌，王豪杰（陕西延长石油巴拉素煤业有限公司，陕西 榆林 ；中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西 西安 ）摘要：陕北侏罗纪煤田榆横北区内的矿井大多数处于初期开发阶段，且区内的煤层赋存条件差异较大，在其西侧中深埋矿井的矿山压力规律、顶板管理手段等方面的经验不足。为了探索该区域首采的 号煤层开采后，其坚硬顶板卸压、围岩释压等技术问题，以巴拉素煤矿为例，结合长距离定向钻和短距离常规钻的水力压裂技术，通过分析压裂数据曲线、相邻钻孔及锚索的出水情况及孔内窥视结果，对 首采工作面切眼顶板水力压裂工程进行研究。结果表明，区内 号煤层顶板坚硬，煤层回采后自然垮落难度较大，采用长短钻结合的水力压裂技术，可有效释放煤层顶板的压力，解决矿压集中及悬顶的隐患威胁，确保工作面的安全开采。该水力压裂技术实践可为后期矿井相关矿压管理工作提供依据和借鉴。关键词：巴拉素煤矿；坚硬顶板；水力压裂；长短钻施工；钻孔窥视中图分类号：；文献标志码：文章编号：（），（，；（），）：，：；引言随着近几十年来我国煤炭资源的高强度开采，李彦民方刚郑凯歌等榆横北区中深埋煤层开采水力压裂技术实践 年大部分浅埋煤层已基本完成开发回收，煤矿发展的重心在逐步向我国中西部地区的中深埋煤层偏移 。而对于此类煤层的开采则面临着多重困难和挑战，其中，矿山压力及围岩控制问题、坚硬顶板造成的煤层采后大面积悬顶问题较为突出和棘手 。陕北侏罗纪煤田内的煤炭资源丰富、品质优良，是我国重要的煤炭生产基地之一，榆横北区内分布有多座大型矿山，目前均处于初期建设开发阶段 。由于该区内大部分煤矿建设生产时间较短，且首采煤层的顶板坚硬、埋深情况变化较大（自东向西 号煤层埋深在 ）。因此，造成了不同地质赋存条件下煤层开采时的矿压显现规律变化掌握情况较差的结果。尤其在矿区西部煤层埋深较大的矿井，存在着两大亟需消除的安全隐患，一方面是初采期间大跨度开切眼巷道的治理，该条件下面临着围岩控制难度增大，顶帮变形严重等问题；另一方面是在煤层采后，其坚硬顶板导致的大面积悬顶可能诱发动压灾害等问题 。这些问题将对区内中深埋矿井安全生产带来极大的威胁，应用专业的技术解决手段刻不容缓、迫在眉睫。工程概况行弱化改造 ，使目标岩层内形成三维裂缝网络，以降低岩体整体强度，减小顶板初次垮落步距，降低能量释放强度，防止动压灾害发生，为矿井安全高效生产提供技术支撑。技术工艺 技术路线通过收集研究区地质资料，进行井下现场勘查，选择合适的压裂地点；参考条件类似矿井初次垮落及回采过程中矿压数据分析结果，编制研究区工作面初采初放顶板压裂治理技术方案。优选钻探设备进行钻孔施工，施工中进行钻进参数随钻监测、钻进轨迹控制及钻孔质量控制，确保钻孔轨迹在目标层位，分别采用长水平孔和常规短孔水力压裂技术进行压裂施工 。压裂过程中实时监测压力数据，跟踪监测回采过程中工作面来压强度、步距等参数信息，综合评价初采初放压裂治理效果。工程施工技术路线如图 所示。长水平孔水力压裂技术长水平孔水力压裂技术原理为：当完成定向长钻孔施工和压裂工具串送入指定位置后，通过双封隔器单卡压裂目标层位段，利用在封隔器中设计平衡泄压通道，实现了高压管柱压裂液与封隔器压力的平衡传递。当高压压裂液达到设定压力后封隔器实现完全坐封，继续增压，压力达到设定压力后，限流器打开，实现压裂段的压裂施工。压裂施工过程中，高压压裂液不断注入岩层中，促使作用于目标岩层的水压力逐渐升高，当压力大于岩层破裂压力后，顶板的弹性余能以动能形式释放，促使治理目标层位产生新的裂缝系统，其裂缝扩展主要是通过目标第 期李彦民方刚郑凯歌等榆横北区中深埋煤层开采水力压裂技术实践?图 技术路线图 巴拉素煤矿位于陕北侏罗纪煤田榆横北区的中西部区域，矿井首采 号煤层，设计生产能力 ，矿井 首采工作面呈近东西向布置于井田中部，工作面倾向长度 ，走向长度 ，煤层厚度在 ，平均煤厚约 ，煤层平均倾角 ，埋深 。井田内地质构造简单，煤层上部发育有厚、薄相互形成的坚硬顶板，岩性以细 中砂岩为主，砂岩饱和状态抗压强度 ，自然状态可达 以上，整体表现为强度高、节理裂隙不发育、厚度大、完整性好、自承能力强等特点 。针对工作面初采过程中顶板难以垮落的问题，常用的方法主要有采前、采后的爆破强制放顶法、注水弱化法。爆破法是通过在顶板目标岩层中预先形成几条或者多条裂缝构成的立体裂缝体系，使顶板沿裂缝方向强度降低，从而减弱坚硬顶板的整体强度并易于垮落。爆破法施工简单，但目前火工品申请批复难度大、工程量大、成本高、危险系数高；注水弱化法在施工时，砂岩、砾岩等坚硬岩石不易溶于水，注水弱化的效果及应用范围均有很大局限性，难以人为控制。综上所述，针对巴拉素煤矿 首采工作面初采顶板难垮落等问题，综合采用定向长钻孔 常规短钻孔水力压裂技术对工作面初采期间坚硬顶板进?图 长水平孔分段水力压裂技术原理示意 常规短孔水力压裂技术常规短孔水力压裂技术原理较为简单，即完成常规短孔的钻探成孔后，则进行压裂施工。压裂工具送到目标段位后，利用手动泵注水加压促使封隔器胶筒膨胀封孔，连接高压泵开始施工，完成第一段压裂施工，如图 （）所示；完成第一段压裂施工后，按照设计压裂间距退出注水管，开始第二段压裂施工，重复上述步骤，完成压裂施工，如图 （）所示。工程应用分析针对巴拉素煤矿 首采工作面切眼初采后顶板可能存在的悬顶问题，采用长钻 短钻水力压裂技术相结合的治理思路，分层位弱化治理，以达到定向长钻区域治理与常规短钻局部治理的综合治理效果，从而保障该工作面的安全开采。为保证压裂效果，在压裂结束后、工作面回采前，对各钻孔压裂质量进行检验评价，主要通过压裂数据分析、压裂孔内窥视分析、压裂时邻孔及锚索出水情况分析等手段进行钻孔压裂效果评价。?施工及布置根据 工作面概况及顶板弱化目标，切眼顶板的压裂弱化治理从治理方法角度可分为定向长钻孔施工和常规短钻孔施工 类。其中定向长钻水力压裂控制层位为顶板上方 ，控制目标为工作面初采期间顶板区域弱化；常规短钻孔水力压裂控制层位在 ，控制目标为工作面初采期间的局部弱化。从治理区域角度可分为 个区域，分别为切眼倾向 区域、胶运侧走向 区域、辅运侧走向 区域、定向长钻造斜段区域，工程布置如图 所示。?图 工程布置 陕西煤炭 年?图 常规短孔分段水力压裂技术原理示意 岩层自生基质孔裂缝、层理裂缝与压裂形成新的裂缝沟通、发育、延展及贯穿。当完成第一段压裂施工后，关闭孔口压裂泵注设备，进行孔口排水卸压；利用定向钻机拖动孔口高压管柱，将封隔器拖动至设计位置，进行第二段压裂施工，依次完成各施工段的压裂施工，相邻压裂段形成三维连续裂缝，改善了岩体结构，降低治理层位的整体强度。长水平孔分段水力压裂技术原理如图 所示。?压裂曲线分析由于压裂段数较多，且每段压裂段的压裂数据规律基本保持在正常范围内，因此分别选取长、短钻各 例 段进行压裂曲线分析。其中，长孔压裂选取 号钻孔第段，短孔选取 号钻孔第段曲线分别进行分析。长孔压裂曲线分析对 孔第 段进行水力压裂施工时，首先开启高压注水泵，缓慢注水膨胀封隔器，在封隔器未完全膨胀阶段，注水压力呈现出阶梯状增长规律及特征，注水压力最高增长至 开始趋于稳定，然后进入保压阶段，随着高压水的持续注入，水压出现瞬时压降，表明岩体出现裂缝，随后压力又恢复至原有水平，表明该阶段的岩体岩性较为稳定；随着高压水的持续注入，在保压一定时间后，水压再次出现瞬时压降，表明岩体再次发生破裂，压裂过程中共出现 次压降，说明该段水力压裂确实对顶板形成了有效的破裂，并且通过 次压降，形成的裂缝也充分得到延伸，达到了工程施工的预期效果。长孔压裂曲线如图 所示。?图 长孔压裂曲线 短孔压裂曲线分析选取 号孔第 段压裂数据进行分析，在封隔器膨胀阶段，注水压力呈现出阶梯状增长特征，注水压力最高增长至 时达到峰值，注水量逐渐稳定，随即出现大幅压降，压降至 ，表明该压裂段产生明显裂缝。在明显压降之后，注水压力维持在 左右，而注水量变化不大，则表明该段裂缝通道已打开，保压效果较差，压裂效果良好。短孔压裂曲线如图 所示。?图 短孔压裂曲线?图 相邻钻孔及锚索出水情况图片 第 期李彦民方刚郑凯歌等榆横北区中深埋煤层开采水力压裂技术实践 现场效果分析在压裂施工过程中，出现了临近孔或者临近锚索流水的情况。选取较为明显的数组典型记录照片进行分析，如图 所示。图中白色标记圈为有明显变化的区域，可以看出，在压裂过程中主要出现了邻孔出水和锚索滴水增大或连续流水现象，而锚索出现的流水现象主要分布在压裂孔内临近空口段位，这也表明了锚索流水增大是由于压裂裂缝贯通的原因。以上孔口出水及锚索流水现象进一步说明了孔内产生裂缝，并且裂缝已经贯通至临近孔或者临近锚索，压裂效果良好。钻孔窥视分析通过对压裂后的钻孔进行孔内窥视，进一步验证压裂效果，选取了部分压裂孔的典型压裂裂缝进行分析，钻孔窥视情况如图 所示。可以看出，压裂后的钻孔孔壁在不同程度上均可以看到明显裂缝，部分钻孔由于完整性较差存在塌孔现象，裂缝扩展?图 钻孔窥视情况图片 结语本次巴拉素煤矿 工作面顶板水力压裂工程，主要通过压裂数据曲线分析、邻孔及邻近锚索出水情况、孔内窥视结果分析等方面进行综合分析。压裂数据表明，压裂层位基本较稳定，高压水能够达到充分保压及破裂岩石的效果，且定向压裂每段位压降基本维持在 个，短钻压裂基本每段位可看到明显压降 次或 次，表明压裂效果良好；孔内窥视结果可以看到，压裂孔壁在不同程度上均可以看到明显裂缝，部分钻孔由于完整性较差，存在塌孔现象；邻孔及锚索出水情况进一步说明了孔内产生裂缝，并且裂缝已经贯通至临近孔或者临近锚索，压裂效果良好。通过本次对榆横北区中深埋煤层水力压裂技术研究及工程实践，确定了所选用方法、技术的科学合理性，确保了 工作面的安全开采，也为矿井后期相关矿压管理工作提供依据。参考文献：张伟，张金锁，许建 煤炭资源安全绿色高效开发模式研究 以陕北侏罗纪煤田为例 地域研究与开发，（）：方刚，刘柏根，靳德武，等 穿越富水煤层段井巷防治水技术研究 煤炭科学技术，（）：康红普，冯彦军，张震，等 煤矿井下定向钻孔水力压裂岩层控制技术及应用 煤炭科学技术，（）：刘文静，李刚，梁少剑，等 特厚煤层坚硬顶板水力压裂控制技术研究 煤炭工程，（）：方刚，梁向阳，黄浩，等 巴拉素井田煤层富水机理与注浆堵水技术 煤炭学报，（）：姬强，方刚，王春林，等 榆横北区富水煤层掘进超前疏放水效果分析 陕西煤炭，（）：，崔峰，刘星合 综采工作面水力压裂顶板控制技术研究 煤炭科学技术，（）：任苏迪，孙连胜 水力压裂技术在综采工作面初次放顶中的应用 煤炭工程，（）：李彦民，方刚，梁向阳，等 巴拉素煤矿不同阶段水害问题防治技术研究 能源与环保，（）：姬强，方刚，王春林，等 立井井筒过富水煤层段防治水安全技术实践 陕西煤炭，（）：于水，张健，王悦，等 张家峁煤矿短壁工作面水力压裂技术应用研究 中国煤炭，（）：李彬刚，郑凯歌，王豪杰，等 巴拉素煤矿 工作面切眼顶板水力压裂工程施工总结报告 西安：中煤科工集团西安研究院有限公司，李培，韩晓克，黄炳香，等 顾北煤矿 工作面顶板水力压裂保护采动大巷技术现场试验研究 中国矿业，（）：冯彦军 神东矿区旺采工作面顶板岩层水力压裂控制技术研究 煤矿开采，（）：，刘爱卿 刀柱式采空区下坚硬顶板控制技术研究 能源与环保，（）：，陕西煤炭 年方向主要可分为平行钻孔轴向方向单侧扩展、平行钻孔轴向方向双侧扩展、垂直钻孔轴向方向环形扩展，裂缝在延展方向连续扩展范围约为 。通过孔内窥视结果的初步分析，单孔典型明显裂缝较多，小裂缝随机分布在孔壁，判断可知整体压裂效果良好。