水力压裂切顶卸压技术在18106工作面中的应用_高探军.pdf
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1、技术应用水力压裂切顶卸压技术在 18106 工作面中的应用高探军(山西焦煤西山煤电集团斜沟矿,山西兴县033600)摘要:为了解决斜沟矿 18106 工作面受采动影响巷道变形严重问题,采用水力压裂技术在超前工作面进行定向水力压裂切顶卸压来削弱巷道附近的高集中应力,以此达到使巷道处于低压区的目的。结合 18106 工作面的地质条件,对水力压裂钻孔相关施工参数进行确定并进行工业性试验。现场监测效果表明,采用水力压裂处理技术后,巷道在回采时承受超前压力影响,巷道两帮移近量最大为 135 mm,顶底板最大移近量为 50 mm,压裂后巷道围岩变形量减小,巷道稳定性良好。关键词:水力压裂;切顶卸压;围岩变
2、形;围岩应力中图分类号:TD322文献标识码:A文章编号:1672-1152(2023)05-0209-030引言随着矿井采掘深度的不断延伸,在开采深部煤层时矿压问题进一步凸显,严重制约矿井安全生产。坚硬难垮顶板是指赋存在开采煤层正上方的直接顶厚度较大的或厚度较小的直接顶上面存在厚度大而稳定、坚硬的砂岩、砾岩或石灰岩等岩层,普遍具有顶板岩石致密性强、抗弯曲强度较大、节理裂隙不明显、整体性较好,自身承载能力强等,在工作面回采过程中,经常出现采空区大面积悬顶不冒落情况,一旦冒落,会形成大面积、强烈的周期性来压,且来压时有明显的动力现象,造成支护设备损坏,甚至出现危及人身安全的事故。水力压裂切顶技术
3、作为一种成本低、施工简单、工艺不交叉、安全性较高的坚硬顶板处理技术,可有效降低附近采空区巷道受动压的影响程度,降低支护难度,使顶部岩层定向压裂、损坏顶板岩层保持完整性,从而减弱顶板的强度以及整体性,使采空区顶板能够分层分次垮落1,减短初次压力和周期压距离,以达到降低或消除坚韧难垮顶板对工作面回采危害的目的。1矿井概况斜沟矿位于山西省吕梁兴县北 50km 处,矿区南北长约 22 km,东西宽约 34 km,矿井面积约 88.6 km2,矿井设计生产能力 1 500 t/年。18106 位于该矿 11采区主要开采 8 号煤层,东部为 18108 回采工作面,西部为 18104 回采工作面,南部为实
4、煤区,北部为11 采区三条上山。18106 工作面长 296.7 m,走向长7 239.6 m,倾向长 2 638.23 365.4 m,面积 14.8 km2。开切眼宽 9.5 m,高 3.7 m 布置在工作面的南侧,沿 8号煤层顶板布置,留有部分顶煤,切眼顶板锚杆支护密度高。工作面开采标高为+705+1 023 m,盖山厚度为 50380 m。8 号煤层直接顶为中细粒砂岩,平均厚度 2.46 m;直接底为泥岩,平均厚度 1.04 m,基本底为细粒砂岩,平均厚度 3.03 m。由于 18106 工作面顶板为典型的厚度超过 10 m 的,强度较高、完整性高、自身承载能力强的砂岩顶板,在工作面回
5、采中,极易造成采空区大面积悬顶、第一次来压和周期来压距离较大,矿压呈现尤为明显等问题。2水力压裂原理及工艺2.1水力压裂工作原理初采初放过程中,水力致裂提前切断老顶,减少初次放顶的垮落步距,提高初期的回采率;正常回采致裂用脉冲与常规组合水力致裂,通过脉冲泵的高频冲击作用在坚硬煤体内的各个方向形成大量的裂缝,不仅提高了裂缝的数量,而且突破了节理、层理对均匀压裂的制约,然后通过更换成高压泵,对脉冲形成的水压裂缝进行进一步补充压裂,持续增大裂缝的扩展范围,有效减小顶煤块度。水力致裂破碎顶煤的同时,提高了顶煤的含水率,也有利于工作面的防灭火和工作面的防尘2。2.2水力压裂工艺水力压裂包括打孔、封孔、高
6、压水压裂、保压注水、压裂监测等主要工序。施工致裂孔安装致裂泵连接铺设高压胶管安装封孔器孔口加装防冲装置泵前孔后 20 km 设警戒开泵前检查启动致裂泵(调压阀打到零位)检查各连接管路、仪表接口(如有问题停泵处理)关掉注水阀打开封孔阀逐渐加压至 20 MPa 关闭封孔阀打开注水阀逐渐加压至最高检查封孔情况(如有问题停泵处理)记录好各数据观察孔口前后 10 km 漏水情况观察压力波动压力下降停泵采用窥视仪收集孔内裂缝信息。该压裂系统如下页图 1 所示。使用横向切槽钻头,预制横向切槽。采用高压注水泵为封隔器更加压力使胶筒逐渐膨胀,达到封孔目的后,密封封孔器,打开注水铁管截止阀,连接高压泵收稿日期:2
7、022-03-12作者简介:高探军(1992),男,本科,工程师,主要从事煤矿生产技术管理工作。总第 208 期2023 年第 5 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 208No.5,2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.05.079山西冶金E-mail:第 46 卷图 1压裂系统组成进行压裂。封孔压力为 1216 MPa,按照图 1 连接管路,保证连接处密封完好,试压到达要求值后再进行使用。试压时压力到 25 MPa 检查密封状况。3现场试验3.1钻孔布置根据 18106 工作面概况图显示,18106 工作面直接顶为厚 2.46 m 左右中细粒
8、砂岩,老顶为厚度超过12 m 厚层中粗粒砂岩,岩层完整性较好。煤层采高为6.14 m,压裂垂高设计在 1520 m,由于压裂半径可达10 m 左右,故压裂影响垂高应在 54 m 左右。具体水力压裂过程中可以针对性地进行预裂,以达到更好的压裂效果。根据矿井生产地质报告中提供的顶板岩性强度,其中砂岩抗压强度平均 10.7MPa,最大为 13.6 MPa,属于软岩层;而砂岩抗压强度平均为 56.1 MPa,最大为 60.8 MPa,属于坚硬岩层。开切眼布置在工作面的南侧,沿 8 号煤层顶板布置。根据水力压裂理论、最大拉应力准则及 18106 工作面切眼顶板岩层结构、岩层厚度、岩性及采高,结合弹性理论
9、、工作面顶板条件及在其他矿井的高压水预裂经验,可估算 18106 综采工作面初采初放高压水预裂压力约为 1060 MPa。即要想达到压裂效果,静水压力应不小于岩石的单轴饱和抗压强度,即不小于56.1 MPa;同时由于压裂岩石为三向受压状态,故静水压裂需要适当加大,最大压力选择 60.8 MPa。在18106 胶带顺槽内 1 500 m 左右至停采线附近,施工长度为 1 500 m;沿顺槽轴向方向布置压裂钻孔 S,钻孔与顺槽夹角 510,孔间距 10 m,距煤柱侧帮不超过 1 m;钻孔长度 40 m,倾角 4550;采用倒退式压裂,间隔 3 m 压一次,初步确定压裂范围为从距离孔口 12 m 到
10、孔底。见图 2。3.2设备安装高压致裂泵和脉冲泵及过滤水箱运送到指定地点后,平整场地按致裂泵、过滤水箱、脉冲泵的先后顺序按放,用三通球形截止阀将静压水通过 51 mm 高压水管引入过滤水箱,连接泵与水箱的连接管,安装压力表,安装水力检测仪。打开排气阀排掉泵内空气,高压致裂泵和脉冲泵安装完毕。高压致裂泵和脉冲泵安装完毕后,依次启动两台泵开始调试。将泵调压阀调到零位,开泵观察电机转向是否正确。查看供水是否正常。检查各仪表、连接管接口是否漏水。将出水口关闭,将调压阀逐渐加压,测试泵的最高压力和达到最高压力后安全阀是否能自动打开。3.3压裂技术要求使用后退式单孔多次压裂,间隔 3 m 压裂一次,次数可
11、以依据钻孔查看和岩层钻探硬度进一步调整。如果顶板出现异常响动和大面积积水,立即暂停压裂;压裂时长暂时设定为 30 min,依据水压情况和岩层出水进行调整;钻孔施工和钻孔压裂同时作业,间距不少于 30 m3。3.4压裂注意事项高压注水钢管连接封孔器逐根推送入钻孔中后首次压裂位置为孔底 11.5 m,后退式分段预裂,边压裂边撤杆,即从钻孔底部向孔口逐次压裂注水。压裂注水过程中,保证一定的注水时间,确保压裂、软化充分,同时安排专人检查压裂孔周围顶板,当有大量水从顶板中流出时,停止压裂注水;压裂过程中,安排专人观测顶板支护情况,出现顶板变形、锚杆断裂时,立即停止该孔压裂,在压裂 60 m 范围内设置临
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