巴拉素煤矿2号煤层开采水力压裂技术工程应用.pdf
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1、CHINA COAL VISION煤炭新视界煤 矿 采 掘0引言多年来,在煤矿生产过程中,矿山压力及围岩控制问题、坚硬顶板造成的煤层采后大面积悬顶问题是一直威胁矿山安全的主要隐患1。陕北侏罗纪煤田榆横北区内分布有多座大型矿山,目前均处于初期建设开发阶段2-3。其中,巴拉素煤矿为区内建设矿井,准备投产,矿井首采 2 号煤层,设计生产能力 10.00Mt/a。矿井2102 首采工作面呈近东西向布置于井田中部,工作面倾向长度 300m,走向长度 5903m,煤层厚度 1.425.74m,平 均 煤 厚 约 3.5m,煤 层 平 均 倾 角 0.4,埋 深 482490m。井田内地质构造简单,煤层上部
2、发育多套厚、薄互层的坚硬顶板,岩性以细中砂岩为主,砂岩饱和状态抗压强度 47MPa,自然状态可达 70MPa 以上,整体表现为强度高、节理裂隙不发育、厚度大、完整性好、自承能力强等特点4。经分析,该矿建成投产后将面临两大亟需消除的安全隐患。一方面为初采期间大跨度开切眼巷道的治理,该条件下面临着围岩控制难度增大、顶帮变形严重等问题;另一方面在煤层开采后,其坚硬顶板导致的大面积悬顶可能诱发动压灾害等问题5。根据对现有成熟技术的分析,结合巴拉素煤矿实际情况,认为解决上述问题的最佳方案为采用定向长钻孔+常规短钻孔水力压裂技术对工作面初采期间坚硬顶板进行弱化改造6。该方案可降低岩体整体强度,减小顶板初次
3、垮落步距,降低能量释放强度,防止动压灾害,为矿井安全高效生产提供保障。1技术工艺1.1 技术路线通过收集研究区的地质资料并进行井下现场勘察,选择了合适的压裂地点。参考类似条件下矿井初次垮落和回采过程中的矿压数据分析结果,编制研究区工作面初采初放顶板压裂治理技术方案。选择适宜的钻探设备进行钻孔施工,并在施工中进行钻进参数随钻监测、钻进轨迹控制及钻孔质量控制,以确保钻孔轨迹准确到达目标层位。分别采用长水平孔和常规短孔水力压裂技术进行压裂施工7。压裂过程中实时监测压力数据,并跟踪监测回采过程中工作面来压强度、步距等参数信息,综合评价初采初放压裂治理效果8。工程施工技术路线如图 1 所示。图 1 技术
4、路线图1.2 长水平孔水力压裂技术长水平孔水力压裂技术原理如下:首先,完成定向长钻孔施工,并将压裂工具串送到指定位置。然后,通过双封隔器单卡压裂目标层位段,并利用封隔巴拉素煤矿2号煤层开采水力压裂技术工程应用高剑超1,方刚2,李彦民1,卜浩晋1,郭瑜1(1.陕西延长石油巴拉素煤业有限公司,陕西 榆林 719000;2.中煤科工西安研究院(集团)有限公司,陕西 西安 710054)摘 要:为了解决煤层开采中坚硬顶板的卸压和围岩释压等问题,结合巴拉素煤矿实例,对长水平孔水力压裂技术进行分析,结果表明,该技术有效释放了顶板压力,解决了矿压集中和悬顶的潜在威胁,保障了工作面的开采安全性,可为煤矿安全生
5、产提供借鉴。关键词:巴拉素煤矿;坚硬顶板;水力压裂;长短钻施工中图分类号:TD823.253文献标识码:A91煤炭新视界CHINA COAL VISION煤 矿 采 掘器中设计的平衡泄压通道,实现高压管柱压裂液与封隔器压力的平衡传递。高压压裂液达到设定压力后,封隔器完全封闭,增压至设定压力后,限流器打开,进行压裂施工。在压裂施工过程中,高压压裂液不断注入岩层,逐渐增加对目标岩层的水压力。压力超过岩层的破裂压力时,顶板的弹性余能以动能形式释放,促使目标层位产生新的裂缝系统。这些新的裂缝主要通过目标岩层自身的基质孔裂隙、层理裂隙与压裂形成的裂缝相互沟通、发育、延展和贯穿。完成第一段压裂施工后,关闭
6、孔口压裂泵注设备,进行孔口排水卸压。然后,利用定向钻机拖动孔口高压管柱,将封隔器拖动至设计位置,进行第二段压裂施工,依次完成各施工段的压裂施工。相邻的压裂段形成连续的三维裂缝,改善岩体结构,降低治理层位的整体强度。长水平孔分段水力压裂技术原理如图 2 所示。(a)压裂施工第一段(b)压裂施工第 n 段图 2 长水平孔分段水力压裂技术原理示意图1.3 常规短孔水力压裂技术常规短孔水力压裂技术的原理相对简单。首先进行常规短孔的钻探,然后进行压裂施工。将压裂工具送到目标段位后,通过手动泵注水加压,使封隔器胶筒膨胀并封闭孔口。接着连接高压泵,开始施工并完成第一段压裂施工,如图 3(a)所示。完成第一段
7、压裂施工后,按照设计的压裂间距退出注水管,开始第二段压裂施工,然后重复以上步骤,完成压裂施工,如图 3(b)所示。(a)第一段(b)第 n 段图 3 常规短孔分段水力压裂技术原理示意图2工程应用分析针对巴拉素煤矿 2102 首采工作面切眼初采后顶板可能存在的悬顶问题,采用长钻+短钻水力压裂技术相结合的治理思路,通过分层弱化治理,实现了定向长钻区域治理与常规短钻局部治理的综合治理效果,保障了该工作面的开采安全性。为保证压裂效果,压裂结束后和工作面回采前,对各钻孔的压裂质量进行检验和评价。主要分析压裂数据、压裂孔内窥视、压裂时邻孔及锚索出水情况等,用以评价钻孔压裂效果。2.1 施工及布置根据 21
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