綜采工作面堅硬頂板初采階段水壓致裂技術應用

沈銘華,呂兆海,趙長紅,崔 晨,常 峰,岳曉軍,潘長斌

(國家能源集團寧夏煤業有限責任公司,寧夏 銀川 750001)

綜采工作面堅硬頂板不能及時垮落,在工作面采空區側形成大面積懸頂,若大面積懸頂突然破斷,易產生沖擊荷載、沖擊地壓、煤與瓦斯突出、潰水潰沙等動力災害[1-3]。因此,在工作面初采階段必須采取強制放頂措施。強制放頂通常采用深孔爆破預裂技術,實現堅硬頂板及時垮落,但爆破作業會產生大量有毒有害氣體;另外,在有限空間內實施爆破作業,爆炸沖擊波易損壞綜采工作面設備設施。水力致裂技術可較好彌補爆破預裂放頂的缺陷[4-6],水力壓裂控制煤層堅硬頂板的技術已在國內外推廣應用,并取得了良好的效果。孫興林等[7]針對堅硬厚層砂巖頂板采用水力致裂技術進行頂板致裂,并驗證了致裂后煤巖體的應力明顯降低,從而能有效防止沖擊礦壓的發生。孟秀峰等[8]通過現場試驗分析了水力壓裂弱化堅硬基本頂的特點,認為與爆破預裂技術相比,水力致裂技術的經濟效益更加明顯。于斌等[9]通過水力壓裂弱化煤層上覆堅硬老頂的試驗,深入分析水力壓裂弱化堅硬老頂的力學機理。文獻[10-11]基于煤礦堅硬頂板,通過跨式膨脹性封孔器對壓裂段進行封閉,利用高壓水將封閉段進行壓裂,生成多條裂紋,最終形成裂紋網絡,從而實現頂板弱化?；诖?筆者根據金家渠煤礦110302綜采工作面頂板巖性及作業空間,采用水力壓裂技術解決該工作面初采階段堅硬頂板大面積懸空問題,實現工作面的安全高效回采。

1 工程概況及礦壓特征

金家渠煤礦作為寧夏煤業公司在馬家灘礦區規劃建設的現代化礦井,井田南北長約9.0 km,東西寬約3.0 km,面積約為26.8 km2。礦井設計資源儲量6.36億t,可采儲量3.36億t,設計生產能力400萬t/a,服務年限60 a。110302綜采工作面是11采區第二個工作面,開采煤層為3 層煤,東側與金家渠逆斷層相鄰,南側依次為回風斜井、主斜井、副斜井,西側與110301工作面運輸巷相距28 m,北側與采區邊界相鄰。工作面走向可采長度為1 933 m,傾斜長平均為280 m,傾角31～43°,平均36°,煤厚3.82 m,工作面布置如圖1 所示。通過鉆孔發現,直接頂為厚1.62 m粉砂巖,基本頂為厚6.45 m 的細粒砂巖,基本頂之上為22.49 m 的粗粒砂巖和5.69 m 的細粒砂巖,整體堅硬;煤層底板為厚2.0 m 的細粒砂巖。

圖1 工作面布置

當工作面回風巷累計推進34.5 m、運輸巷累 計推進57.4 m 時,工作面支架工作阻力急增,安全閥泄壓,30#～80#支架段開始出現片幫現象,且片幫范圍逐漸向工作面上、下出口方向延伸,63#～78#支架段片幫最為嚴重,達到3～5 m,38#～80#支架段直接頂從架前垮落,垮落高度為2.5 m。40#～53#支架段白色中粒砂巖從架前垮落,垮落高度為5～6 m,垮落區出現向工作面上部方向延伸的趨勢。52#～66#支架高度由3.6～3.8 m 下降至2.7～3.0 m,支架高度下降約0.9 m。根據頂板垮落高度、巖性和巖塊大小,判定為老頂斷裂。110302工作面在該區域處于老頂初次來壓階段,現場礦壓顯現情況如圖2所示。

圖2 初次來壓條件下頂板冒落

2 水壓致裂工藝與鉆孔參數

水力壓裂技術被廣泛應用于工作面切頂卸壓,其原理是借助高壓水將完整未開裂的巖體壓裂,以消減或轉移圍巖所聚集的高應力。由于110302工作面已發生片幫與冒頂,經驗表明,發生片幫區域的工作面煤幫前已存在大量的裂隙發育區,如果在該區域內進行水力壓裂,壓裂效果難免會受裂隙發育區影響。為了使110302工作面盡快具備回采條件,決定在110302工作面回風巷距工作面50 m 處朝向110#～160#支架尾梁頂板上覆巖層區域開展水力壓裂,以期最大程度地破壞頂板的完整性,使工作面頂板及時垮落,避免因大面積懸頂引發其它事故。

2.1 水壓致裂工藝

水力壓裂控制堅硬頂板的過程為:采用CMS1-1300/22 履帶式液壓坑道鉆機配置直徑?56 mm 鉆頭施工預裂鉆孔,利用手動泵為封隔器加壓使膠筒膨脹變形至封孔,隨后連接BRW40型高壓泵設備實施分段壓裂。施工工藝流程如下:安裝→連接→調試→推送封孔器至預定位置→手動泵加壓封孔器→設置警戒→作業人員安全到位→高壓水泵供水供電→高壓水泵加壓→記錄高壓水泵壓力表以及手動泵壓力表數據→停止加壓→封孔器退出鉆孔→利用窺視儀觀察分析壓裂效果。

2.2 鉆孔與壓裂參數

為使110302工作面120#～160#支架尾梁上部頂板達到理想的壓裂效果,在回風巷內距離工作面約50 m 位置處的回風巷下幫側向110#～160#支架尾梁的老頂段布置6個鉆孔,鉆孔間隔1 m,鉆孔朝向工作面呈扇形分布,終孔位置分別位于160#、150#、140#、130#、120#、110#支架尾梁上方巖層,距支架頂梁垂直高度約30 m。鉆孔布置及參數如圖3和圖4及表1所示。其中,L1鉆孔與回風巷軸線夾角4°,L2鉆孔與回風巷軸線夾角17°,L3鉆孔與回風巷軸線夾角29°,L4鉆孔與回風巷軸線夾角39°,L5鉆孔與回風巷軸線夾角47°,L6鉆孔與回風巷軸線夾角54°,L1～L6鉆孔均朝110302工作面方向施工,L1～L6鉆孔直徑56 mm。高壓注水泵流量不低于80 L/min,額定壓力達到30 MPa,壓裂時間暫定30 min,根據水壓變化和巖層出水情況調整。

表1 水力壓裂孔參數

圖3 鉆孔布置平面

圖4 鉆孔剖面

3 水壓致裂效果分析

110302工作面回風巷累計施工6 個致裂鉆孔,其中,L1、L2、L3鉆孔基本位于煤層頂板,按照每隔3 m 間距壓裂一次,每次壓裂時間控制在30 min。L4、L5、L6鉆孔各約有30 m位于煤壁及其直接頂,為確保煤壁及直接頂相對完整,僅壓裂孔底及距孔口30～40 m 范圍內的巖體,每隔3 m 壓裂一次,每次壓裂60 min。初期開啟壓力最大達到30 MPa,后續保壓壓力降低至15 MPa以上,其中,鉆孔深部壓力較大,鉆孔淺部壓力相對降低;當壓裂次數達到一定數值后,巖體內部小范圍內呈現裂隙周期性微裂變化,此時,壓力維持在一定水平上下波動,壓力變化幅度較小;當巖體內部出現明顯破裂點或不同空間的裂隙貫通時,壓力出現跳躍式下降,隨后進入周期性微裂變化;當巖體內部微裂變化相對穩定后,壓力又逐步增大,進入巖體相對完好區域的周期性微裂變化,但較上次破裂時的壓力明顯降低,隨后巖體在高壓水的作用下呈現“周期性微裂變化—明顯破裂或裂隙貫通”的周期性變化[12-13],最后達到對頂板巖層的弱化或整體性破壞的效果。

為監測水力壓裂施工質量以及每次壓裂時的壓力變化情況,本次試驗安裝水壓儀用來監測壓力-時間關系,本文選取4條監測曲線來反映壓裂效果,如圖5所示。

在實施水力壓裂之前,工作面最大壓力為38 MPa。由圖5可知,進入壓裂區后,工作面周期來壓最高達到30 MPa,工作面正常推進工作壓力為25 MPa,工作面周期壓力明顯降低。

圖5 壓力-時間變化曲線

比對11采區首采110301工作面礦壓參數,表2得出兩個工作面老頂來壓步距基本一致,影響3層煤老頂來壓步距的主要因素是基本頂巖石的硬度、厚度和完整度,研究弱化3層煤頂板的方法,最大限度減少基本頂對直接頂-煤幫支護系統的破壞程度。在110301工作面風巷推進35 m、運輸巷推進58 m 時老頂初次來壓,在110302綜采工作面風巷推進34.5 m、運輸巷推進57.4 m時,出現了片幫、漏頂,可判斷此次事件是由老頂初次來壓引起的。

表2 綜采工作面礦壓參數對比

4 結 論

(1)在本次水力致裂過程中,壓力最大達到30 MPa,后續保壓壓力降低至15 MPa,其中,鉆孔深部壓力較大,淺部壓力相對降低;當壓裂次數達到一定數值后,巖體內部裂隙逐漸張開,此時,壓力維持在一定水平上下波動,壓力變化幅度較小;每次壓裂時間為25 min左右,壓力趨于穩定,說明裂隙貫通。

(2)在本次水力致裂過程中,煤層頂板巖體按照“周期性微裂變化—明顯破裂或裂隙貫通”的周期性變化規律破壞。

(3)本次堅硬頂板水力致裂效果明顯,通過采用多孔、分段水力致裂后,在堅硬頂板致裂范圍內形成了主、次裂縫相互擴展貫通的壓裂區,有效破壞了巖層的完整結構,保證了堅硬頂板的及時垮落,避免了能量的集中。