高林君
国家能源投资集团国神公司三道沟煤矿 陕西府谷 719407
摘要：针对三道沟煤矿5-2煤顶板岩层特点，开展了水力压裂技术在三道沟煤矿水力压裂初次放顶中的应用研究。选取85208工作面为水力压裂初次放顶试验点，采用现场调研、井下试验及监测相结合的方法，研究了水力压裂技术对工作面初次垮落的作用。监测结果表明，压裂过程中，水压最大为22MPa，最小为12MPa，裂缝可扩展20-40m的范围。工作面推进约16m时顶板开始分层分次垮落，推进约28m直接顶全部垮落，推进约79m老顶初次来压。工作面垮落未形成冲击，不影响工作面正常回采，保证了初采的安全，达到了预期的效果
关键词：水力压裂；强制放顶；井下试验
前 言：三道沟煤矿主采煤层为5-2煤层，采高6m-7m左右，工作面顶板为强度较低，但整体性和完整性较好、厚度较大的岩层。工作面初采时，需要采用强制放顶的方法处理顶板，否则易造成采空区大面积悬顶，一次性垮落时形成飓风和强烈冲击，造成设备损坏、人员伤亡等安全事故，严重影响矿井的安全生产[1-3]。针对此类难垮顶板，三道沟煤矿此前主要采用爆破强制放顶的方法，但该技术存在严重的安全隐患，如产生大量有毒有害气体、干扰矿井正常生产等，已无法满足矿井安全、高效生产的需求[4-6]。定向水力压裂作为一种安全、绿色的顶板控制技术，可有效控制工作面顶板初次垮落，最大程度削弱顶板的整体性，使得工作面顶板呈分层及时垮落，同时，避免给工作面的正常回采带来影响，该技术已在神府矿区工作面初次放顶中得到了广泛的推广应用[7-9]。基于上述背景，在三道沟煤矿85208工作面开展水力压裂初次放顶应用研究，分析水力压裂初放顶顶板垮落特点和矿压规律，并与爆破放顶进行对比，以期解决工作面初次放顶中存在的问题。
1 工作面概况
85208工作面开采煤层为5-2煤，煤层平缓南西倾向，倾角1-3°，煤层厚度6.6-7.01m，平均6.79m，结构简单。工作面倾向宽度282.25 m。工作面直接顶为泥岩，平均厚度5.26m，老顶为泥质粉砂岩含灰色粉砂质泥岩，平均厚度14.35m。煤岩柱状如图1所示。
图1 煤岩柱状图
2 井下试验
水力压裂是指在顶板岩层施工钻孔，然后对钻孔进行单孔多次压裂，弱化顶板岩层，对难垮顶板的控制有着非常明显的效果，主要表现在压裂和软化两个方面，从而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，达到减小或消除坚硬难垮顶板对工作面回采危害的目的。
2.1 水力压裂方案
根据85208工作面顶板岩层结构、厚度、煤层厚度、采高及岩石强度确定水力压裂钻孔布置及参数，钻孔布置如图2所示。
图2 压裂钻孔布置图
钻孔参数为：（1）压裂钻孔-L，钻孔长度37m，倾角为30°；（2）压裂钻孔-S，钻孔长度36m，倾角为45°；（3）压裂钻孔-A，钻孔长度42m，倾角为40°；（4）压裂钻孔-J ，钻孔长度25m，倾角为50°。工作面安装之前，对钻孔L、钻孔S和钻孔J实施压裂作业，每个钻孔从距孔口最远位置开始压裂，每2m~3m压裂一次，压裂时间不少于30min；为保证工作面初采期间直接顶的完整性，利于回采过程的顶板管理，煤层上方2m范围内的岩层不实施压裂作业。工作面安装之后，对钻孔A实施压裂作业，保证工作面开始回采后两端头顶板能够及时垮落。
2.2 压裂监测结果与分析
利用水力压裂数据采集仪实时监测水压的变化过程，如图3所示，可对钻孔压裂过程进行分析和判断，从而分析难垮顶板水力压裂的特点。从压力曲线可以看出，压裂过程中，压力最大约22MPa，最小约12MPa。S孔的扩展压力约为14-20MPa，见图3（a），L孔的扩展压力约为14-16MPa，见图3（b）。
（a）S孔压力曲线
（a）L孔压力曲线
图3 水力压裂压力曲线
钻孔开始压裂后，高压水压力急剧增高到一定值后在某一范围内小幅波动或突然有不同程度的下降，继而进入保压阶段，此时封孔段出现裂缝，裂缝随着时间不断的扩展。从图3可以看出，有些压裂在裂缝扩展过程中，压力存在小幅度的波动，裂缝基本以恒定压力向前扩展，说明顶板岩层原始裂隙不发育，岩层较为稳定，裂缝可以实现大范围扩展；有些压裂在裂缝扩展过程中，压力稳定上升或下降，可能是由于岩层的不均匀性或岩层的渗透率不同导致的；还有一些压裂在裂缝扩展过程中，压力波动较为剧烈，可能是由于裂缝扩展过程中遇到了原声裂隙或结构面导致的。此外，随着压裂位置距孔口距离的减少，破裂压裂和扩展压力呈减小趋势，其中S孔在距孔口28-36m岩层段，其破裂压力和扩展压力均大于S孔其余岩层段，也大于L孔整个岩层段。此段岩层距工作面顶板垂高大于19m，其完整性较好，强度较高，可以认为，岩石强度会对水力压裂产生较大影响。在压裂过程中观测顶板锚杆、锚索及附近钻孔的出水情况，判断水力压裂裂缝扩展范围。压裂L6孔过程中，首先在L5孔观测到有水流出，随着压裂深度的减小，S3和L8也有水流出，说明裂缝的扩展范围至少可达40m。钻孔压裂深度大于23m时，附近钻孔的出水量较小，随后逐渐增多；从钻孔深度15-20m左右开始，顶板锚索出水，钻孔深度10m以后出水锚索增多，出水量变大。S孔压裂过程中，附近钻孔基本都有水流出，并且在孔深25m以后水量较大，表明裂缝的扩展半径至少可达20m。压裂效果表明，水力压裂可使裂缝在顶板中扩展一定范围；此外，进行单孔多次压裂，附近钻孔及顶板锚杆、锚索均有水流出，因此，单孔多次压裂可在顶板中产生多条裂缝，有效弱化顶板岩层，使采空区顶板能够分层、分次逐步垮落，消除难垮顶板产生的危害。
2.3 顶板垮落效果及矿压情况
工作面从2016年12月11日中班开始初采，推进至14.4米时，59-61#支架处顶板有不足一米直径的煤块落下；推进至16米时，80-95#支架处直接顶垮落；推进至20米时，工作面除两顺槽顶板未垮落，其余直接顶均垮落；推进至28米时，两顺槽三角区垮落，此时工作面第一次出现煤壁片帮，液压支架最大工作阻力超过300bar。此后，随着工作面的推进，液压支架最大工作阻力仅为340bar，两顺槽帮部无明显鳞皮。工作面推进至79m时，工作面突然大面积来压，压力集中区域主要在40#～125#支架，该段支架压力平均达到385bar，最高压力达到462bar，部分支架的安全阀开启，煤壁片帮严重，回收护帮板时有大量片帮煤掉落。继续推进，压力逐步变小，5刀后压力恢复正常，工作面支架压力减小至252-265 bar之间，工作面初次来压结束，老顶全部垮落。老顶来压，共持续4m。工作面分别在推进至89、94、100、109、123m时来压，压力集中区域不规律，且来压持续刀数不稳定（最短2刀，最长10刀）。经计算，工作面周期来压步距约为12m。工作面回采至102m时地面发生塌陷。
3 与爆破强制放顶比较
85206工作面相邻85208工作面，该工作面此前采用爆破强制放顶的方式，两个工作面初采期间顶板垮落效果及矿压情况对比如表1所示。
直接顶垮落放炮后除两顺槽三角区外，切眼直接顶垮落；机头45米，机尾35米时，两顺槽三角区垮落。推进16m时，直接顶开始垮落；20m时，除两顺槽顶板未垮落，其余直接顶均垮落；推进至28m时两顺槽三角区垮落。
第一次出现煤壁片帮，及初撑力过300机头48m，机尾38m。推进28m
初次老顶来压76m老顶来压，且来压持续14m79m老顶来压，来压持续4m
第二次老顶来压98m第二次来压，来压猛烈，且范围广89m第二次来压，来压不明显，仅持续4刀煤，且范围很小
地面塌陷110米地面塌陷102米地面塌陷
通过上表对比，85208工作面初采期间的顶板来压强度要小于85206工作面，且初采期间各时间节点数据均提前，表明水力压裂初次放顶的效果要好于爆破强制放顶。此外，与爆破强制放顶相比，水力压裂放顶作业还具有以下优势：（1）水力压裂技术工程量小、安全性高、施工速度快。（2）水力压裂初次放顶是在工作面安装之前全部施工完成，避免了因爆破而引起的工作面停产，不干扰正常回采工序。（3）水力压裂技术避免了爆破所产生的震动对支架形成冲击，同时也避免了大量有害气体的产生。（4）浅埋情形下，水力压裂避免了爆破对地面及周边环境产生的影响。因此，与爆破方法相比，水力压裂技术更加绿色、安全、高效。
结束语：
（1）水力压裂技术能够有效的弱化顶板，削弱顶板的完整性和稳定性，使工作面顶板在初采期间能够分层分次垮落，垮落过程未对工作面产生影响。（2）三道沟煤矿水力压裂的水压约为12-22MPa，裂缝的扩展范围为20-40m。（3）工作面推进约16m时，直接顶开始垮落，推进约28m时直接顶全部垮落，推进约79m时老顶跨落。（4）与爆破强制放顶相比，水力压裂技术效果更好，并且更为安全、高效。
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[作者简介] 高林君（1987-），男，陕西省神木市人，本科，助理工程师，主要从事矿井开采设计等。
论文作者:高林君
论文发表刊物:《防护工程》2018年第28期
论文发表时间:2019/1/2
标签：工作面论文; 顶板论文; 压裂论文; 水力论文; 钻孔论文; 岩层论文; 裂缝论文; 《防护工程》2018年第28期论文;