坚硬顶板定向水压致裂主控技术研究.pdf

郭磊（1988），男，工程师，719000 陕西省榆林市。坚硬顶板定向水压致裂主控技术研究郭磊王超陈福春张海鹏（陕西延长石油巴拉素煤业有限公司）摘要为解决坚硬工作面顶板垮落难、初次来压步距过大等难题，以陕西某煤矿2102工作面为工程背景，分析了坚硬顶板悬顶的危害及定向水压致裂切顶控制机理，提出了坚硬顶板定向水力压裂切顶主控切顶技术，并开展现场实践。确定压裂钻孔水平间距为5 m，垂直间距3 m，孔内压裂点间距9 m，压裂层位为厚层中粒砂岩坚硬顶板。结果表明，2102工作面坚硬顶板水压致裂后，内部裂隙发育，初次来压步距减小为15.6 m，初次来压动载影响程度减弱，未发生大面积强矿压、煤壁片帮等现象。工作面端头顶底板最大移近量为681 mm，两帮最大移近量为485 mm，保证了安全生产。关键词厚煤层坚硬顶板主控切顶水压致裂DOI：10.3969/j.issn.1674-6082.2023.09.019Study on Active Control Technology of Directional Hydraulic Fracturing of Hard RoofGUO LeiWANG ChaoCHEN FuchunZHANG Haipeng（Shaanxi Yanchang Petroleum Balasu Coal Industry Co.，Ltd.）AbstractIn order to solve the problems of difficult roof working face caving and excessive firstweighting step distance，taking 2102 working face of a coal mine in Shaanxi as the engineering background，the harm of hard roof hanging roof and the control mechanism of directional hydraulic fracturing roof cuttingwere analyzed，and the roof cutting technology of hard roof directional hydraulic fracturing roof cutting wasput forward and carried out on site.It is determined that the horizontal spacing of fracturing boreholes is 5m，the vertical spacing is 3 m，the spacing of fracturing points in the hole is 9 m，and the fracturing horizonis the hard roof of thick medium-grained sandstone.The results show that after the hydraulic fracturing ofthe hard roof of the 2102 working face，the internal cracks are developed.The first weighting step is reducedto 15.6 m，and the influence degree of the first weighting dynamic load is weakened.There is no large areaof strong mine pressure and coal wall spalling.The maximum displacement of the roof and floor at the end ofthe working face is 681 mm，and the maximum displacement of the two sides is 485 mm，which ensures safeproduction.Keywordsthick coal seam，hard roof，active control roof cutting，hydraulic fracturing总第 653 期2023 年 9 月第 9 期现代矿业MODERN MININGSerial No.653September.2023据不完全统计，坚硬顶板下的综采工作面占据30%以上1-4，由于坚硬顶板完整度好、强度高、厚度大等特征，在回采过程中易造成采空区后方大范围悬顶，极易发生工作面煤壁片帮、冒顶、顶板切落下沉及支架压死等57动力灾害事故。因此，开展坚硬顶板控制的研究对安全开采具有重要意义。目前国内外对此类坚硬顶板的治理主要包括8爆破切顶和水压致裂切顶2种方式。相对于爆破切顶而言，水压致裂凭借其工程量小、管控范围大、操作简单、适应性强等9优势在我国诸多矿区进行推广应用。国内外研究人员针对水压致裂主控切顶技术进行了大量研究，并取得相应的成果。康红普等11对水压致裂裂缝扩展机理进行理论分析，并对工作面坚硬顶板定向水压致裂顶板弱化效果等进行综合评价。黄炳香等12采用室内实验的手段，分析了真三轴围压条件下水压致裂裂缝扩展影响因素。牛同会13通过理论分析与现场试验，通过监测压裂过程的流量及压力变化特征，综合评价水压致裂对坚硬顶板的控制效果。邓光哲等14通过综合分析法，对顶板预裂与采动应力耦合叠加下，坚硬顶板的87现代矿业2023 年 9 月第 9 期总第 653 期裂缝发育规律及破坏特征。王冰等15利用定向长钻孔水力压裂顶板技术在彬长矿区进行冲击地压防治。以上研究为工作面坚硬顶板悬顶治理提供了理论和实践依据，但针对具体地质条件下的坚硬顶板水压致裂方案技术参数还需进一步展开针对性研究。本文在分析坚硬顶板悬顶的危害及定向水压致裂切顶控制机理的基础上，提出了2102工作面坚硬顶板定向水力压裂切顶主控切顶技术，并开展现场实践，为相似条件的安全回采提供借鉴。1工程概况某矿位于陕西省榆林市，设计年生产能力1 000万t，设计服务年限70 a。2102工作面位于井田21盘区西翼，工作面煤层厚度3 m，平均埋深480 m，工作面宽度300 m，累计推进长度5 900 m，工作面采用双巷布置，一次采全高综采工艺。工作面北部为将来接替的 2104 工作面，南部为实煤体，西部为井田边界，工作面布置如图1所示。2#煤层直接顶为砂质泥岩，厚度为0.54 m，岩石硬度系数f=34。基本顶中粒砂岩厚度为721 m，岩石硬度系数f=45。基本底粉砂岩厚度为1.517 m，煤层顶底板情况见表1。2采场坚硬顶板主控切顶控制机理2.1坚硬悬顶的危害工作面从切眼开始推进过程中，软弱的岩层在采空区及时冒落，上方厚硬顶板由于强度高，在未达到极限跨距之前不能及时垮落，并在采空区上方形成悬顶。坚硬悬顶的危害如下：（1）矿压显现强烈。2102工作面基本顶为21 m厚中粒砂岩，坚硬顶板冒落时，一般具有较强烈的冲击载荷，在老顶初次来压时更为突出，瞬时冲击载荷十分强烈。在坚硬顶板悬臂距离较长时，会使煤体出现大面积应力集中现象，顶板大面积垮落后有可能出现冲击破坏。另外，在长距离悬顶条件下，工作面前方煤体内弹性能积聚较高，大采高时易发生冲击矿压等危险。（2）坚硬顶板冒落高度大。硬顶板一般在回采过程中不冒或冒落高度很小，但当达到极限悬顶面积，发生大面积顶板瞬时一次冒落时，冒落高度远远大于其他类型的顶板。在瓦斯矿井中，大范围的顶板垮落会造成采空区瓦斯大量涌出至巷道造成瓦斯含量急剧上升，并且可能引起火灾。（3）采空区漏风和瓦斯超限。由于坚硬顶板整体性强，节理裂隙和弱面不发育，冒落时块度较大，大岩块之间互相铰接，造成大孔隙，形成风流的通道，容易造成漏风和瓦斯超限。采空区坚硬顶板悬顶及致灾示意图如图2所示。2.2坚硬顶板强制切顶控制机理基于对悬顶致灾原因的分析，确定坚硬顶板强制切顶控制机理如下：（1）切断动载传递主要通道，降低工作面前方煤体的动载扰动。切顶能够将坚硬岩层内部由致裂完整状态转变为裂隙发育的软弱状态，动载应力波在传递过程中遇到软弱界面时，其能量将会衰减，达到减弱对工作面前方煤体的动力冲击的目的。（2）减小悬顶长度，降低工作面煤壁片帮、压架风险。坚硬岩层作为上覆岩层的主要载体，悬顶长度较大时，对其下部煤岩体的扰动较大，工作面前方煤体受压破坏显著，支架工作阻力增大。根据弹性地基梁理论，坚硬岩层的在弯矩最大处发生拉破坏，当支架与煤层无法承担断裂的坚硬岩层产生的尖峰载荷时，煤壁将会发生片帮失稳，断裂的坚硬岩层将会沿煤壁切落下沉，造成支架压死事故。切顶能够88郭磊王超等：坚硬顶板定向水压致裂主控技术研究2023 年 9 月第 9 期在特定的位置构造预制裂缝，人为控制坚硬顶板的跨距，坚硬顶板在工作面推过既定位置后及时垮落并充满采空区，排除产生飓风效应的隐患。3坚硬顶板定向水压致裂主控切顶技术3.1顶板定向预裂技术结合2102工作面实际生产地质条件，针对中粒砂岩坚硬顶板难冒落，工作面初采期间，初次来压步距过大、支架工作阻力较高等问题，结合周边矿井的水力压裂切顶前期应用效果，确定2102工作面坚硬顶板采用分段注水水压致裂切顶技术，达到安全生产的目的。施工工艺流程（图3）如下：（1）在钻场内利用定向钻机根据设计的钻孔轨迹不断调整钻进角度，达到目标层位的终孔位置后回撤钻头。（2）将2个封孔胶囊通过中空压裂杆安装完成并连接高压注水钻杆后，利用钻机将其推送至终孔位置附近的压裂点Y1位置。（3）将高压柱塞泵通过高压胶管与注水钻杆连接，检查无误后，启动高压水泵，开始向封孔胶囊内部注水。（4）当胶囊内部通道的注水压力达到封孔压力后，胶囊将左右两端的出水通道堵死，并开启中空压裂杆内部的单向阀，向密闭空间内持续注入高压水。（5）高压水在密闭空间内汇集，压力持续增大，并超过岩体的起裂压力后岩体裂开，持续的高压水将通过新生裂隙持续向岩体深部流动形成裂隙网络。（6）Y1点压裂工作完成后，关闭高压泵并启动钻机将封孔胶囊拖曳至Y2压裂点位置，重复上述操作，直至完成该钻孔内的所有设计位置的压裂后，退出封孔胶囊，进行下一个钻孔的压裂工作。3.2水压致裂主控切顶方案2102工作面切眼坚硬顶板定向水压致裂方案如图4所示。（1）钻孔位置。在2102工作面一号回风巷内距切眼10，15 m位置布置2个钻场，每个钻场布置2个钻孔，垂直间距3 m，钻孔直径为96 mm，钻孔爬坡区域扩孔处理后采用套管进行加固，防护罩塌孔。（2）压裂点位置。2102工作面长度300 m，设计钻孔内压裂点初始位置距离回风巷采煤帮6 m，间距为9 m，每个孔共计30个压裂点。（3）压裂孔层位。低位钻孔距离煤层顶板15 m，高位钻孔距离煤层顶板18 m。4切顶卸压控制效果分析4.1顶板水压致裂效果分析利用钻孔窥视仪对2012工作面开切眼顶板进行水压致裂切顶后的顶板进行钻孔窥视，更加直观准确地揭示水压致裂切顶效果，如图5所示。由图5可知，采用分段注水压裂后，坚硬顶板内部裂隙发育，局部出现10 mm左右裂纹，顶板完整程度降低，水压致裂效果明显。4.2巷道围岩变形特征在2102一号回风巷内距离工作面切眼30 m处设置 1 个表面位移测站，围岩变形监测结果如图 6 所示。由图6可知，距工作面25 m时，巷道围岩表面位移开始缓慢上升，在距离工作面5 m时，围岩变形量急剧增加；在距离工作面1 m处，顶底板最大移近量为681 mm，两帮最大移近量为485 mm，能够满足正89现代矿业2023 年 9 月第 9 期总第 653 期常生产要求。4.3支架阻力监测结果分析覆岩的运动直观的表现就是支架工作阻力的变化，在工作面中部支架位置安装1个监测站，监测支架工作阻力的变化特征，如图7所示。（1）工作面回采至压裂区域时，工作阻力升高，初次来压步距15.6 m，支架最大工作阻力36.1 MPa，未超过安全阀开启压力且小于未压裂区域周期来压期间的最大工作阻力。（2）在连续推进60 m时，工作面中部共计来压3次，平均周期来压步距为22 m，说明水压致裂主控切顶能够改变坚硬岩层的结构状态，消除长时悬顶效应，缩短初次来压步距，改善工作面应力环境。5结论（1）坚硬顶板厚度大、强度高、完整性好，工作面初采期间来压步距增大，顶板大面积悬露瞬间垮落容易造成动力灾害。（2）根据2102工作面地质条件，提出了坚硬顶板分段注水定向压裂主控切顶技术，确定钻孔直径为96 mm，水平间距 5 m，垂直间距 3 m，单孔压裂点 30个，破坏坚硬顶板完整性，减小顶板的初次来压步距。（3）坚硬顶板分段注水定向压裂破坏了顶板完整性，坚硬顶板内产生裂隙，工作面初次来压步距15.6 m，支架最大工作阻力 36.1 MPa，工作面端头顶底板最大移近量为 681 mm，两帮最大移近量为 485mm，保证了安全生产。参考文献1于斌，段宏飞.特厚煤层高强度综放开采水力压裂顶板控制技术研究 J.岩石力学与工程学报，2014，33（4）:778-785.2张宏伟，赵世帆，管隆刚，等.6.0 m大采高厚硬顶板工作面强矿压特征 J.采矿与岩层控制工程学报，2022，4（5）:37-46.3樊俊鹏，童荣，王亚军.特厚煤层坚硬顶板孤岛工作面综放开采技术研究 J.煤炭工程，2021，53（10）:13-18.4黄好君，李寿君，郭洁，等.水压致裂顶煤弱化技术在综放工作面中的试验 J.煤矿开采，2018，23（S1）:67-69.5王帅，赵国贞，刘超.坚硬顶板下近距离煤层群切顶卸压技术研究 J.煤炭工程，2022，54（9）:75-80.6郭德勇，商登莹，吕鹏飞，等.深孔聚能爆破坚硬顶板弱化试验研究 J.煤炭学报，2013，38（7）:1149-1153.7徐军，孟宁康，柏建彪.切顶沿空留巷充填体-矸石协同承载机理及控制技术研究 J/OL.矿业安全与环保:1-7 2023-02-27.http:/ J.煤炭工程，2023，55（1）:47-52.9刘洪伟，李君利.坚硬顶板弱化技术综述 J.煤炭技术，2009，28（2）:50-51.10 李红平，孙秉成，杨伟，等.近距离煤层坚硬顶板控制高度研究J.煤炭技术，2023，42（1）:101-104.11 康红普，冯彦军.煤矿井下水力压裂技术及在围岩控制中的应用 J.煤炭科学技术，2017，45（1）:1-9.12 黄炳香，赵兴龙，陈树亮，等.坚硬顶板水压致裂控制理论与成套技术 J.岩石力学与工程学报，2017，36（12）:2954-297013 牛同会.分段水力压裂弱化采场坚硬顶板围岩控制技术研究J.煤炭科学技术，2022，50（8）:50-59.14 邓广哲，郑锐，徐东.大采高综采端头悬顶水力切顶控制机理J.西安科技大学学报，2019，39（2）:224-233.15 王冰，王东杰.井下定向长钻孔水力压裂顶板冲击地压防治研究 J.陕西煤炭，2023，42（1）:17-21，47.（收稿日期 2023-03-16）and numerical investigation of permeability evolution with damageof sandstone under triaxial compressionJ.Rock Mechanics andRock Engineering，2017，50（6）:1529-1549.16 BARTMANN K，ALBER M.Experimental determination of crackinitiation and crack damage of two granitesJ.Procedia Engineering.2017，191：119-126.17 PENG J，CAI M.A cohesion loss model for determining residualstrength of intact rocksJ.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2019，119:131-139.（收稿日期 2023-06-28）（上接第86页）90