富家凹煤业坚硬顶板巷道水力压裂技术研究_张鹏.pdf

：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金面上项目资助（）作者简介：张 鹏（），男，山西浮山人，高级工程师，主要从事煤矿开采技术研究及管理工作，：。通讯作者：王春来（），男，河北唐山人，教授，博导，主要从事矿山动力灾害预警及调控方面的研究，：。引用格式：张 鹏，巩仲斌，贺丽峰，等 富家凹煤业坚硬顶板巷道水力压裂技术研究 煤炭工程，（）：富家凹煤业坚硬顶板巷道水力压裂技术研究张 鹏，巩仲斌，贺丽峰，单栋梁，刘 芳，薛旭辉，李啸天，孙 亮，王春来（山西蒲县宏源煤业集团有限公司 富家凹煤业，山西 蒲县；中国矿业大学（北京）能源与矿业学院，北京；山西省霍州市白龙矿技术研究院，山西 霍州）摘 要：富家凹煤矿煤层回采巷道受相邻工作面采动影响严重，巷道易出现变形，影响矿井安全生产。为确保富家凹煤矿 工作面的安全顺利回采和相邻工作面 工作面巷道的顺利掘进，采用水力压裂技术在 回风巷道进行顶板切顶卸压，弱化 回风巷道顶板坚硬岩层，缩短悬顶距离，优化相邻工作面应力分布，降低对相邻巷道的影响。通过现场调研及钻孔窥视仪观测，发现 回风巷道顶板存在多段完整岩层与复合顶板，故设计采用后退式分段压裂弱化顶板中完整岩层，并确定了具体的钻孔及压裂参数。基于该工作面垮落情况、钻孔窥视情况及相邻工作面巷道成型情况，综合分析 工作面水力压裂效果。结果表明：采用水力压裂区段回采工作面垮落步距控制在 左右，钻孔裂隙发育明显，相邻巷道未受明显影响，实现了对坚硬顶板的控制。关键词：水力压裂；坚硬顶板；复合顶板；分段压裂；顶板裂隙 中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，）：，：；第卷第期 煤 炭 工 程 ，随着矿山开采年限增加，可开采煤层的赋存条件日趋复杂，其中坚硬难垮顶板是矿山开采目前面临的重要难题。在煤矿开采中，坚硬顶板是指煤层上方厚而稳定的坚硬砂岩岩层，由于强度较大、自身承载力强，在采空区难以垮落或易发生大面积垮落造 成 动 压 现 象，造 成 支 护 设 备 损 坏 和 人 员伤亡。水力压裂作为常规低渗油气增透技术，在非常规油气开采、地应力测量、地热资源开发、核废料处理、封存等领域已显示出广泛的工业价值。国内学者针对水力压裂在煤矿坚硬顶板巷道卸压方面的应用开展了研究工作，大量研究成果证明水力压裂能有效弱化顶板，破坏坚硬岩层完整性，削弱顶板强度，减小坚硬顶板对回采工作面的危害。康红普与冯彦军等验证了定向水力压裂技术对煤矿坚硬难垮顶板控制效果，并对水力压裂机理与压裂效果评价做了进一步研究；李中伟等采用水力压裂技术改变顶板岩层结构，控制动压巷道围岩应力，降低了巷道支护难度；刘钰鑫等利用水力压裂技术，在邢东矿开展试验，研究了水力压裂顶板控制技术在矿井水害防治中的应用；孙志勇等研究了水力压裂切顶卸压技术在大采高留巷中的应用；袁征等为了提高水力压裂施工成功率，对施工压力与裂隙形态之间的响应规律进行了研究；刘文静等利用水力压裂技术解决了矿井特厚煤层坚硬顶板岩层高应力集中及冲击地压的难题；庞丽宁研究了坚硬煤体水力压裂联合深孔爆破弱化机理；张恒利用水力压裂技术，为祁南煤矿工作面跨大巷回采过程中的支护难题提供了解决措施。但煤矿坚硬顶板动力灾害问题始终没有彻底解决，巷道高应力、坚硬难垮顶板等严重影响着矿山的安全高效生产。以富家凹煤矿 工作面回风巷道水力压裂项目为工程背景，设计钻孔参数与水力压裂实施方案，通过现场观测、窥孔分析等手段，对煤矿坚硬顶板水力压裂切顶卸压技术进行研究，为实现矿井坚硬顶板工作面安全生产提供保障和经验。工程概况富家 凹 矿 现 开 采 煤 层，工 作 面、工作面位于 煤层二采区北翼，盖山厚度 ，煤层厚度 ，平 均 厚 度 ，煤层倾角。工作面与 工作面相邻，预计净煤柱为 ，工作面现已开始回采，而 工作面回采巷道即将掘进，形成“迎采送巷”的布局；对比富家凹煤业二采区以往回采工作面，工作面的回采动压导致 工作面运输巷的围岩变形严重，出现强烈的矿山压力显现，预期 运输巷道掘进期间会面临同样的问题。为降低 运输巷道掘进期间由 工作面回采造成的动压影响，控制巷道变形量，确保巷道不出现大面积的破坏，在 回风巷道采用水力压裂技术开展切顶卸压工程。、工作面布置情况如图 所示。图 、工作面布置 坚硬顶板水力压裂技术及井下试验 煤矿水力压裂技术煤矿水力压裂技术在煤矿围岩控制中，主要用于坚硬顶板弱化和高应力巷道卸压，在钻孔压裂段预制裂缝，从而控制水力压裂裂纹的扩展方向，对坚硬顶板的控制有着非常明显的效果。水力压裂通过削弱顶板的强度和整体性，使采空区顶板能够分层分次垮落，缩短初次来压和周期来压步距，优化应力分布，达到减小或消除坚硬难垮顶板对工作面回采危害的目的。煤矿水力压裂主要包括封孔、高压水压裂、保压注水 项工序。该系统主要由高压供水注水管、高压水泵、水泵压力表、气动水泵、气动水泵压力表、胶管、封孔器、钻孔窥视仪等组成。为了实现 工作面安全回采，降低 运输巷道掘进期间由 工作面回采造成的动压影响，控制巷道变形量，确保巷道不出现大面积的破坏，在 回风巷道开展水力压裂井下试验。顶板岩性窥视观测对水力压裂前后的顶板钻孔和前后相邻钻孔得裂隙发育情况进行了窥视观测。根据水力压裂前的钻孔窥视结果分析可得：相邻钻孔的岩性分布相似，以泥 年第 期 煤 炭 工 程 生产技术 岩、砂质泥岩和砂岩为主。岩性探测结果显示，富家凹煤业 煤层顶板岩性变化较快，直接顶为泥岩、砂质泥岩、煤线多层软弱煤岩层组成的层状复合顶板（厚，平均 ）；往上为 （平均 ）厚的坚硬粉砂岩，其局部存在裂隙发育，出现大裂缝或空洞；再往上为 （平均 ）厚的层状复合岩层；再往上为 厚（平均 ）的砂质泥岩；再往上为 （平均 ）厚的层状复合岩层。顶板岩性探测结果如图 所示。图 顶板岩性探测柱状 钻孔设计参数 回风巷道预计需要压裂的巷道长度为，为保证压裂效果，设计钻孔间距为 ，仰角为，与巷道轴向夹角（向煤柱侧偏），因此此次施工在通道内布置压裂钻孔 个，开孔位置为顶板尽量靠近煤柱侧帮，回风巷道水力压裂钻孔布置如图 所示，钻孔剖面如图 所示。图 回风巷道水力压裂钻孔布置根据窥视结果，钻孔深部为 厚（平均 ）的层状复合岩层，少有完整的砂岩岩层，故初步设计钻孔深度为 （可根据阶段性窥视结果和岩层变化趋势调整钻孔深度），保证顶板关键压裂图 钻孔剖面层位的压裂效果。根据现场实际情况和多次测试实验，得出 钻孔配合 封孔器可取得较好的压裂效果，故确定钻头直径为 。分段水力压裂工艺根据顶板阶段性岩性柱状图和窥视情况可知，大部分顶板岩层中存在两段以上被复合顶板隔开的完整岩层，且强度较高。由于水力压裂工作主要在坚硬且完整的顶板岩层中进行，故本次井下试验设计采用后退式分段压裂，由钻孔底部逐段向孔口压裂。由泥岩、砂质泥岩、煤线等多层软弱煤岩层组成的层状复合直接顶板强度较低，易发生垮落；直接顶上方存在 厚的坚硬粉砂岩顶板、层状复合顶板和砂质泥岩顶板，水力压裂主要选取完整的砂岩区段和砂质岩层区段。为保证安全生产和水力压裂效果，设置钻孔 （垂深 ）以内不压裂，其余区段每 压裂一次，每孔预计压裂 次（根据钻孔窥视结果分析顶板岩性并及时调整压裂位置和次数）。为保证封孔效果，经过井上试验可知，封孔器压力为 时，有较好的膨胀效果，因此设计封孔器封孔压力为 ，压裂压力为 左右，每次压裂时间设计保压 。后退式分段水力压裂现场试验施工工艺及流程如图 所示。）为保证施工安全，应在距离压裂孔前后 处各拉一道警示线，压裂期间除作业人员外禁止人员通行，作业人员以及作业设备距离压裂孔的距离应在 以上，且位于支护条件良好的地方。）水力压裂封孔器具有两个进水口，分别可连接注水管和胶管，注水管连接封孔器两端胶囊，胶囊注水膨胀，实现钻孔封孔，注水管连接封孔器中部出水管，高压水通过出水孔注入由胶囊封闭形成的空间中，实现水力压裂。生产技术 煤 炭 工 程 年第 期图 分段压裂工艺 ）安装、连接、调试工作结束后，连接注水钢管将封孔器推送至钻孔初次压裂设计压裂位置，注水管和胶管分别安装有水压检测表，监测气动水泵封孔压力与高压水泵注水压力。）使用气动水泵加压封孔器，待压力达到 后停止加压，观察钻孔并监测压力表，检验封孔器能否保压，若钻孔中有水流出或压力下降明显，说明封孔失效，检查封孔器各个连接处及封孔器本身，找出并解决问题，确保封孔器正常工作。）高压水泵连接注水钢管慢慢加压，同时记录水泵压力表数据，加压至 左右，直至裂缝开裂（可根据现场压裂情况调整压力），这时压力会突然下降，保压注水使裂纹继续扩展，保压注水压裂时间 ，根据现场压裂情况确定，若巷道顶板、煤帮或钻孔中有水渗出或冒出时，立即停止压裂。）单次压裂结束后，先关闭高压水泵，待钻孔出水量很小时再将封孔器卸压，拆卸相应数量注水钢管，将封孔器送至下一压裂位置（一般为下降 ）。）重复操作直至到达设计钻孔不压裂区段（顶板 处），将封孔器卸压并退出当前钻孔，准备下一钻孔的压裂工作。水力压裂效果分析为评估水力压裂对顶板的预裂效果及超前水压致裂对巷道顶板的破坏情况，对工作面顶板垮落情况、顶板裂隙发育情况和相邻掘进工作面巷道成型情况进行了观测、分析，综合评价 回风巷道水力压裂效果。工作面垮落情况分析对施工期间 回采工作面悬顶情况进行观测。观测情况如下：自 年 月 日开始水力压裂施工，压裂处距离超前支架尚有 距离，截止到 年 月 日，顶板正常垮落，垮落步距控制在 左右，无大面积悬顶情况发生。对比回采工作面前 的生产工作，采用水力压裂切顶卸压后，工作面初次步距明显缩短，悬顶距由 缩短到 左右，水力压裂效果明显。钻孔窥视情况分析水力压裂结束后对压裂钻孔和相邻孔进行再次窥视，将压裂前后钻孔内部裂隙发育情况进行分析，观测结果可知：水力压裂之前顶板岩层裂隙发育不明显，整体性较好；水力压裂后，原钻孔裂隙明显发育，并伴有新裂隙和空洞产生。这说明顶板水力压裂明显破坏了顶板岩层的完整性，降低了顶板强度。相邻掘进工作面巷道成型情况分析 回采工作面和 掘进工作面同时施工，可根据 工作面运输巷道成形情况进一步判断 工作面回风巷道水力压裂效果。掘进巷道的矿压综合监测和巷道每日巡查结果显示：顶板巡查无异常，两帮正常，经巡查矿压观测无异常，巷道掘进阶段成形较好，已支护阶段巷道未发生明显变形，该掘进巷道的成型效果较好，无明显变形发生，说明 回风巷道切顶卸压工程具有良好的效果。年第 期 煤 炭 工 程 生产技术 结 论）通过岩性钻孔探测结果可知，富家凹煤业煤层顶板存在多段完整岩层和复合顶板，不同岩性变化较快，但相邻钻孔的岩性分布相似，以泥岩、砂质泥岩和砂岩为主，有规律可循。基于顶板岩性分布特点，设计采用后退式分段压裂对顶板中多个关键压裂层位进行水力压裂工作，顶板的水力压裂切顶卸压效果明显。）根据现场观测，回采工作面的垮落步距为 左右，与没有实施水力压裂的前 工作面相比，悬顶跨距得到有效控制。对水力压裂前后钻孔的窥视结果对比分析，裂隙和孔洞发育明显，说明在水力压裂范围内，高压水有效破坏了顶板中坚硬完整岩层的完整性，降低了坚硬复合顶板的力学强度。）对相邻掘进工作面巷道成型情况进行观测，工作面回采过程中，掘进巷道受相邻工作面回采矿压影响，但 运输巷道已掘进区段无明显变形，巷道总体成形效果较好，矿山压力显现不明显。参考文献：郭 力 厚而坚硬顶板破断诱发冲击地压的机理及其防治方法 矿业安全与环保，（）：郑洪运，时启鹏，娄庆楠，等 坚硬复合顶板沿空留巷围岩控制技术研究 矿业研究与开发，（）：谭云亮，张 明，徐 强，等 坚硬顶板型冲击地压发生机理及监测预警研究 煤炭科学技术，（）：任永强，牛同会 布尔台矿水力压裂对矿压显现影响分析 煤矿安全，（）：孙 朋 低透煤层井下重复水力压裂后含水率与瓦斯含量变化规律研究 能源与环保，（）：，王正帅 水力化增透技术在碎软煤层瓦斯抽采中的应用研究 煤炭工程，（）：李 阳，康志江，薛兆杰，等 中国碳酸盐岩油气藏开发理论与实践 石油勘探与开发，（）：林天懿，柯柏林，杨 淼，等 碳酸盐岩热储酸化压裂增产机理研究及应用 城市地质，（）：康红普，冯彦军 定向水力压裂工作面煤体应力监测及其