淺埋特厚硬煤層過溝谷開采超前區域弱化控制技術

楊俊哲，呂清緒，鄭凱歌，李彬剛，李 果，李延軍，楊 歡

(1.國家能源集團新街能源公司，內蒙古鄂爾多斯市，017208；2.神東煤炭集團有限責任公司，陜西省榆林市，719315；3.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西省西安市，710054；4.安徽理工大學，安徽省淮南市，232001)

隨著中、東部資源日益枯竭，煤炭資源開采逐步向西部轉移[1-3]。西部地區煤層普遍發育有厚及特厚煤層，煤層埋深淺(埋深多小于200 m)，具有地形復雜多變、地表整體起伏較大、丘陵溝谷區域普遍發育、溝谷的坡體形狀多變等特點[4-5]。神東礦區厚煤層普遍發育，煤層傾角多為1°～3°，為近水平煤層，地表受到溝谷發育的影響，形成典型的溝谷縱橫結構特征，溝谷落差達到 30～70 m，溝谷發育處松散層因沖蝕缺失，部分基巖也因沖蝕變薄或缺失[6-7]。

相關研究人員通過研究指出，工作面在開采淺埋厚煤層過程中，當經過溝谷區域時易發生強礦壓災害，嚴重制約了礦井安全生產，尤其在溝谷地形普遍發育區域[8-9]。近年來隨著西部礦區開采強度不斷加大，綜放或綜采開采已成為主要采煤方法。厚及特厚煤層綜放或綜采開采條件下采空空間大，頂板能量積聚大，釋放過程中，工作面礦壓顯現劇烈，會出現工作面支架大規模壓死、爆缸等沖擊礦壓現象。趙杰等[10]研究指出，工作面過溝谷過程中，頂板關鍵層層位以剪斷或拉斷的方式破壞，該過程中易發生大幅的關鍵塊體滑落或回轉失穩，造成強礦壓災害；張志強等[11]通過物理、數值模擬及現場測試等綜合手段，揭示了神東礦區淺埋厚硬煤層開采經過溝谷時礦壓變化規律的特征，指出工作面在過溝谷上坡段易發生強礦壓災害，溝谷區域頂板關鍵層的缺失或變薄是引起工作面強礦壓災害的關鍵原因。

以上研究主要集中在淺埋厚硬煤層過溝谷過程中強礦壓災害發生機制方面。神東上灣煤礦8.8 m特厚煤層綜采在回采過溝谷過程中，煤層表現為煤質堅硬致密、韌性大、抗碎強度高，采煤機在工作面過溝谷階段截割煤十分困難，造成截割煤速度慢、截齒消耗量高、采煤機事故多發。這與一般條件下工作面過溝谷時，礦壓顯現異常強烈工況條件差異較大。針對以上問題，本篇融合模擬分析、理論研究與現場實測等方法，分析了工作面過溝谷下煤層原巖應力變化特征，揭示了溝谷下煤層回采困難原因，闡述了適合煤礦井下厚硬煤層定向長鉆孔分段水力壓裂超前改造技術，并在上灣煤礦典型的12402工作面開展了工程應用，結果表明能實現溝谷段厚及特厚硬煤層的有效弱化，大幅提高了回采效率，降低了生產成本。

1 開采條件及礦壓特征分析

1.1 開采條件

上灣煤礦位于東勝煤田補連礦區東南部，井田走向長5.6 km，傾向長4.6 km，可采煤層6層，目前主要開采1-2號煤層，煤層厚度0～ 9.63 m，平均厚度5.82 m。其中四盤區煤層厚度為5.31～9.73 m，平均厚度8.71 m，屬巨厚煤層，整體厚度穩定，結構簡單，一般含2～3層夾矸。直接頂巖性以細粒砂巖為主，局部發育砂質泥巖、粉砂巖等，厚度一般為2.10～8.07 m?；卷攷r性為粉、細粒砂巖互層，厚度一般為5.68～20.34 m。四盤區1-2號煤層采用8.8 m一次采全高工藝開采，創造了單個工作面生產能力1600萬t/a的記錄。

1.2 地形及應力分布特征

上灣煤礦地面溝谷發育，溝谷主要為向源侵蝕，溝谷發育多為NW-SE向，且主溝兩側的分支呈樹枝狀普遍發育。12402工作面煤層上覆發育有104～240 m基巖，地表受到石灰溝穿插整個工作面，其為季節性溝流，是本區域較大的一條泄洪通道，平均溝流量為60 m3/h，溝谷區域上覆基巖厚度為104～135 m，溝谷落差范圍為40～ 60 m，坡度為 17°～ 36°。石灰溝溝底與工作面位置關系如圖1所示。

圖1 石灰溝溝底與工作面位置關系

依據工作面回采和溝谷發育方向的空間位置關系，進行了溝谷類型劃分，將溝谷分為平行、垂直和斜交3 種類型。利用 FLAC3D數值分析軟件[12-13]，構建 12402工作面治理范圍內地表溝谷及其上覆巖模擬模型，模型涉及工作面與溝谷走向3種類型的圍巖應力分布特征。其中斜交型數值模型斜交角度分別為45°、75°。溝谷與工作面不同夾角支撐應力分布如圖2所示。

由圖2可知，隨著工作面回采與溝谷走向夾角的不斷增加，溝谷區域煤巖體超前支承壓力逐漸降低。由圖2(d)可知，工作面超前支撐應力峰值為5.5 MPa，當夾角增大至45°時，超前支撐應力峰值降低至4.8 MPa。隨著夾角持續增大至90°，超前支撐應力峰值降低至3.5 MPa。上灣煤礦12402工作面回采走向與石灰溝走向夾角大于75°，溝谷區域超前支撐壓力整體低，造成煤層整體結構完整、堅硬難以截割，溝谷區域煤層堅固系數為1.40～2.73，平均為1.82。

圖2 溝谷與工作面不同夾角支撐應力分布

2 超前區域弱化控制技術

2.1 壓裂裂縫形成機理

煤層是雙重孔隙介質，在地質演化過程中伴隨發育了大量的天然裂隙、結構弱面，這些節理、裂隙造成煤體中裂縫發展形式復雜多樣，且整體力學強度降低。順煤層裸眼分段壓裂超前區域弱化控制技術是以數百米級的定向長鉆孔為治理基礎，利用大排量、高壓力、裸眼耐高壓密封分段壓裂裝備，將定向長鉆孔劃分為若干個壓裂區域。在保持高壓清水以高速、高能量注入不變的情況下，縮減單個壓裂段治理范圍，提高壓裂造縫能力。隨著高壓壓裂液不斷注入壓裂目標煤層中，在密封空間條件下，注入壓力不斷增加。當壓力達到煤層破裂壓力后，壓裂裂縫開始形成，與煤體自生孔、裂隙及割理等弱面體系，空間上交互呈立體網狀，建立新的裂縫系統。順煤層分段壓裂裂縫體系的形成整體可分為單個壓裂段的壓裂能量和注水壓力的增長階段、煤層起裂、微裂縫的產生、煤層的破壞失效、高壓水充滿裂隙空間能量再聚集、孔內所有壓裂段的循環裂縫產生、裂縫發育系統形成7個階段。分段壓裂實施完成后，最終形成特厚硬煤層三維立體裂縫改造系統。

2.2 壓裂工藝技術

順煤層定向長鉆孔裸眼分段水力壓裂工藝技術原理主要是基于本煤層中定向長鉆孔精準成孔技術，優選壓裂封隔器坐封位置，并將壓裂成套工具輸送至設計位置。通過2個壓裂封隔器在鉆孔內坐封，封隔壓裂目標層段，利用在封隔器中設計平衡泄壓通道，實現高壓管柱壓裂液與封隔器壓力的平衡傳遞。當高壓壓裂液達到設定壓力后封隔器實現完全坐封，繼續增壓壓力達到設定壓力后，限流器打開，實現壓裂段的壓裂施工。伴隨高壓水向壓力目標段密封空間的不斷注入，注入壓力不斷提高，當注入壓力達到煤層破裂壓力后，煤層產生新的裂縫。當完成第一段弱化施工后，停止孔外高壓壓裂泵組，開始孔內排水和卸壓工作；通過鉆機起拔抽動高壓壓裂管柱，將封隔器帶動至設計位置，進行第二段弱化施工，依次完成設計施工段的壓裂，壓裂段形成三維連續裂縫，降低煤層整體強度。動式分段壓裂工藝如圖3所示。

圖3 動式分段壓裂工藝

2.3 分段壓裂硬煤改造作用

特厚硬煤層強度和完整性的改善是提高工作面過溝谷回采效率的關鍵。通過順煤層的定向長鉆孔裸眼分段水力壓裂對厚硬煤整體改善作用主要有以下幾點：基于斷裂力學理論，壓裂過程中，在高壓注水壓力作用下，產生壓剪、拉剪混合應力作用，產生煤層人造裂隙，改造煤層宏細觀結構特征，降低特厚硬煤層強度；在定向長鉆孔軌跡精準控制條件下，進行分區分段多次壓裂，提高壓裂能量作用效果，實現壓裂裂縫的規?；由?，提高壓裂成縫效果，并與煤層自生節理、裂隙系統溝通，再拓展，有效降低煤層的強度和完整性；在大量高壓水注入各個壓裂段煤層時，與煤層中高嶺土和伊利石及蒙脫石等水敏性礦物結合，產生物理化學作用，有效降低煤層的強度。通過分段水力壓裂裂隙系統及水敏性礦物的物理化學作用，大幅改善煤體強度和完整性，降低煤層截割難度，提高回采速度，減少采煤設備損傷，掩護工作面過溝谷順利回采。

3 工程示范應用

3.1 工作面概況

神東上灣煤礦12402工作面開采的1-2號煤層厚度為8.17～10.28 m，平均厚度為9.05 m，煤層堅固系數1.40～2.73，屬中等偏硬煤層。礦井地表有石灰溝斜穿12402工作面，覆蓋寬度為254 m，其為季節性溝流，溝谷深度達40～ 60 m，受到溝谷沖刷影響，上覆基巖厚度由150～240 m降低至104～135 m?；夭蛇M入溝谷前，工作面頂板來壓步距5.9～24.1 m，平均來壓步距11.2 m，來壓強度為35～40 MPa，進入溝谷時，來壓步距11.2～18.1 m，平均來壓步距14.5 m，普遍來壓不強，一般在30～35 MPa之間，甚至出現2次大周期來壓之間無壓的情況，主要表現為煤質堅硬致密、韌性大、抗碎強度高，采煤機在工作面過溝谷階段割煤十分困難，造成割煤速度慢、截齒消耗量高、采煤機事故多發。

3.2 鉆孔布置

為了建立壓裂裂縫系統，保證特厚硬煤層壓裂改造效果，針對工作面溝谷發育方向和規模，設計順煤層平行于溝谷方向等間距定向長鉆孔，剖面層位布置于煤層中部，壓裂鉆孔布置如圖4所示，利用ZDY 6000 LD型定向長鉆孔成孔裝備，在治理工作面煤層的中部開孔，鉆孔長度290～540 m。鉆孔一開(孔徑Φ96 mm)鉆進至10 m，經過最終擴孔至Φ193 mm，孔口送入Φ146 mm套管，采用水泥砂漿封孔方式進行固孔，候凝48 h，通過打水試壓合格后，施工Φ96 mm至終孔。

圖4 壓裂鉆孔布置

在順煤層定向長鉆孔實施過程中，依托隨鉆測量系統數據的實時反饋，并通過鉆進方位角、傾角等有效調整，采用回轉和定向滑移綜合鉆進技術，實現本煤層定向長鉆孔軌跡實時監測和精準控制；綜合成孔參數，透明化展示鉆孔實鉆軌跡情況，優選分段壓裂封隔器坐封位置。

3.3 順煤層分段壓裂實施

順煤層分段水力壓裂實施主要包括鉆孔的有效清洗、壓裂成套工具輸送及試壓、分段壓裂施工和壓裂工具的回收等階段。

(1)鉆孔有效清洗。順煤層定向長鉆孔施工后，利用鉆孔正反洗孔控制裝置，結合高壓壓裂管柱對鉆孔進行排渣清洗，保證孔壁光滑、平穩及清潔。

(2)壓裂成套工具輸送及試壓。完成壓裂鉆孔洗孔作業后，按照壓裂裝置功能依次進行組裝，利用鉆機輸送至鉆孔設計位置。通過高壓泵注水，促使封隔器膠囊緩慢膨脹，膨脹膠囊與煤壁緊密接觸，完成鉆孔封孔。逐步升壓至5.0 MPa，查看孔口情況，確保無漏失情況，經過井下實際測試。

(3)壓裂施工。本次利用煤礦井下本煤層長鉆孔裸眼分段壓裂超前弱化技術模式，為了規避壓裂液對煤層本身的污染影響，選用清水作為壓裂介質。利用泵組低檔位啟泵，當注入壓力達到5.0 MPa后封隔器實現充分坐封，采用高檔位、大排量輸出方式進行水力壓裂施工，提高注入流量，注水壓力達到7.8 MPa后，壓力突降至7.1 MPa，煤層發生起裂。隨著高壓注水的不斷進行，煤層微裂縫不斷形成和延展，當注水壓力增加至9.1 MPa，發生第2次明顯破裂壓降。隨后累計循環出現5次明顯壓裂降，最大破裂壓降1.8 MPa，形成有效裂縫，有效弱化厚硬煤層。分段壓裂過程壓力曲線變化規律(部分)如圖5所示。本次共進行分段壓裂施工鉆孔3個，單孔壓裂7～11段，壓裂時間2 843 min，注水量1 898 m3。

圖5 分段壓裂過程壓力曲線變化規律(部分)

(4)停泵工具回收。分段壓裂施工完成后，進行排水作業，排水結束后，利用鉆機拖動，進行工具回收和拆卸。

4 壓裂效果評價

4.1 壓裂裂縫形態

利用數字式全景鉆孔攝像掃描方法對壓裂前后鉆孔內裂隙發育情況進行掃描探測成像，得到壓裂前后裂隙掃描圖片結果，如圖6所示。根據孔內窺視結果可知，壓裂前，孔壁整體完好，局部有微裂隙發育。壓裂施工后，孔壁在發生徑向新裂縫形成、延伸和擴展的同時，與天然裂隙發生溝通，并不斷延展，形成壓裂裂隙縫網。裂縫主要沿鉆孔走向和傾向交互發育，該類壓裂裂隙發育居多，伴隨各個壓裂段均有發生。

圖6 壓裂裂縫掃描圖像

4.2 壓裂影響范圍評價

順煤層定向長鉆孔分段壓裂可促使煤層在基質裂隙和自生節理等發育條件下，高壓水作用形成壓裂裂縫，并與煤層自生裂隙系統溝通，組成縫網體系。高壓水在縫網中流動、滲透，打破原有條件下的電性分布特征，形成新的壓裂影響低阻區域。本次依托定向長鉆孔孔內瞬變電磁探測裝備，利用三分量探測數據采集方式，以壓裂前探測值為背景，采集壓裂后電阻率分布結果，與壓裂前結果做差值，提取純電阻異常區，分析分段壓裂影響范圍。壓裂影響范圍判識如圖7所示。

圖7 壓裂影響范圍判識

煤壓裂后瞬變電阻數據相比壓裂前有明顯增大，說明鉆孔周圍電阻率出現了整體降低，經提取純異常后共劃分了6個異常區域，異常區域以壓裂段為輻射源點，呈明顯條帶狀，且條帶沿鉆孔徑向方向最遠發育距離為35 m。

4.3 煤壁形態及回采速度

通過回采過程中煤壁形態監測可知，未壓裂區煤層致密，截痕明顯，壓裂后，煤壁裂隙發育明顯，破碎程度良好。鄰近12401工作面溝谷未壓裂區單日回采1.5～12.2 m，壓裂治理后單日回采進尺7.8～14.5 m，平均由8.00 m提升至12.13 m，增幅51.6%，大幅提高了過溝谷期間特厚硬煤層回采速度。煤壁形態及回采日進尺對比如圖8所示。

圖8 煤壁形態及回進尺對比

5 結論

(1)通過地形和開采條件分析，認為回采走向與石灰溝走向夾角大于75°，超前支撐壓力低是造成煤層堅硬難割的主要原因。

(2)針對工作面過溝谷截割煤層困難問題，研發了煤礦井下煤層定向長鉆孔裸眼分段壓裂超前區域弱化控制技術，單孔實現了超過500 m 分11段壓裂施工，壓裂降明顯。

(3)采用數字式全景鉆孔攝像掃描可知，壓裂后孔內形成徑向與走向裂縫，與原生裂縫溝通并不斷延展。通過孔內瞬變電磁測試結果分析，單個鉆孔電阻異常區域以壓裂段為輻射源點，呈條帶狀，最大影響范圍為35 m。

(4)利用回采過程中煤壁形態和鄰近未治理溝谷區域對比可知，壓裂后煤壁由直立和明顯截痕狀變為明顯破碎狀，回采進尺由單日平均8.00 m提升至12.13 m，增幅51.6%，壓裂改造效果明顯。