榆横北区中深埋煤层开采水力压裂技术实践.pdf
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1、收稿日期:基金项目:中煤科工集团西安研究院科技创新基金资助项目()作者简介:李彦民(),男,陕西渭南人,工程师,主要从事矿井地质、测量、水文地质及矿井防治水等方面的技术管理工作。问题探讨榆横北区中深埋煤层开采水力压裂技术实践李彦民,方刚,郑凯歌,王豪杰(陕西延长石油巴拉素煤业有限公司,陕西 榆林 ;中煤科工西安研究院(集团)有限公司,陕西 西安 )摘要:陕北侏罗纪煤田榆横北区内的矿井大多数处于初期开发阶段,且区内的煤层赋存条件差异较大,在其西侧中深埋矿井的矿山压力规律、顶板管理手段等方面的经验不足。为了探索该区域首采的 号煤层开采后,其坚硬顶板卸压、围岩释压等技术问题,以巴拉素煤矿为例,结合长
2、距离定向钻和短距离常规钻的水力压裂技术,通过分析压裂数据曲线、相邻钻孔及锚索的出水情况及孔内窥视结果,对 首采工作面切眼顶板水力压裂工程进行研究。结果表明,区内 号煤层顶板坚硬,煤层回采后自然垮落难度较大,采用长短钻结合的水力压裂技术,可有效释放煤层顶板的压力,解决矿压集中及悬顶的隐患威胁,确保工作面的安全开采。该水力压裂技术实践可为后期矿井相关矿压管理工作提供依据和借鉴。关键词:巴拉素煤矿;坚硬顶板;水力压裂;长短钻施工;钻孔窥视中图分类号:;文献标志码:文章编号:(),(,;(),):,:;引言随着近几十年来我国煤炭资源的高强度开采,李彦民方刚郑凯歌等榆横北区中深埋煤层开采水力压裂技术实践
3、 年大部分浅埋煤层已基本完成开发回收,煤矿发展的重心在逐步向我国中西部地区的中深埋煤层偏移 。而对于此类煤层的开采则面临着多重困难和挑战,其中,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较为突出和棘手 。陕北侏罗纪煤田内的煤炭资源丰富、品质优良,是我国重要的煤炭生产基地之一,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 。由于该区内大部分煤矿建设生产时间较短,且首采煤层的顶板坚硬、埋深情况变化较大(自东向西 号煤层埋深在 )。因此,造成了不同地质赋存条件下煤层开采时的矿压显现规律变化掌握情况较差的结果。尤其在矿区西部煤层埋深较大的矿井,存在着两大亟需消除的安全隐患
4、,一方面是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;另一方面是在煤层采后,其坚硬顶板导致的大面积悬顶可能诱发动压灾害等问题 。这些问题将对区内中深埋矿井安全生产带来极大的威胁,应用专业的技术解决手段刻不容缓、迫在眉睫。工程概况行弱化改造 ,使目标岩层内形成三维裂缝网络,以降低岩体整体强度,减小顶板初次垮落步距,降低能量释放强度,防止动压灾害发生,为矿井安全高效生产提供技术支撑。技术工艺 技术路线通过收集研究区地质资料,进行井下现场勘查,选择合适的压裂地点;参考条件类似矿井初次垮落及回采过程中矿压数据分析结果,编制研究区工作面初采初放顶板压裂治理技术方案
5、。优选钻探设备进行钻孔施工,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,确保钻孔轨迹在目标层位,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 。压裂过程中实时监测压力数据,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。工程施工技术路线如图 所示。长水平孔水力压裂技术长水平孔水力压裂技术原理为:当完成定向长钻孔施工和压裂工具串送入指定位置后,通过双封隔器单卡压裂目标层位段,利用在封隔器中设计平衡泄压通道,实现了高压管柱压裂液与封隔器压力的平衡传递。当高压压裂液达到设定压力后封隔器实现完全坐封,继续增压,压力达到设定压力后,限流器打开,实现压裂段
6、的压裂施工。压裂施工过程中,高压压裂液不断注入岩层中,促使作用于目标岩层的水压力逐渐升高,当压力大于岩层破裂压力后,顶板的弹性余能以动能形式释放,促使治理目标层位产生新的裂缝系统,其裂缝扩展主要是通过目标第 期李彦民方刚郑凯歌等榆横北区中深埋煤层开采水力压裂技术实践?图 技术路线图 巴拉素煤矿位于陕北侏罗纪煤田榆横北区的中西部区域,矿井首采 号煤层,设计生产能力 ,矿井 首采工作面呈近东西向布置于井田中部,工作面倾向长度 ,走向长度 ,煤层厚度在 ,平均煤厚约 ,煤层平均倾角 ,埋深 。井田内地质构造简单,煤层上部发育有厚、薄相互形成的坚硬顶板,岩性以细 中砂岩为主,砂岩饱和状态抗压强度 ,自
7、然状态可达 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 。针对工作面初采过程中顶板难以垮落的问题,常用的方法主要有采前、采后的爆破强制放顶法、注水弱化法。爆破法是通过在顶板目标岩层中预先形成几条或者多条裂缝构成的立体裂缝体系,使顶板沿裂缝方向强度降低,从而减弱坚硬顶板的整体强度并易于垮落。爆破法施工简单,但目前火工品申请批复难度大、工程量大、成本高、危险系数高;注水弱化法在施工时,砂岩、砾岩等坚硬岩石不易溶于水,注水弱化的效果及应用范围均有很大局限性,难以人为控制。综上所述,针对巴拉素煤矿 首采工作面初采顶板难垮落等问题,综合采用定向长钻孔 常规短钻孔水力压裂技
8、术对工作面初采期间坚硬顶板进?图 长水平孔分段水力压裂技术原理示意 常规短孔水力压裂技术常规短孔水力压裂技术原理较为简单,即完成常规短孔的钻探成孔后,则进行压裂施工。压裂工具送到目标段位后,利用手动泵注水加压促使封隔器胶筒膨胀封孔,连接高压泵开始施工,完成第一段压裂施工,如图 ()所示;完成第一段压裂施工后,按照设计压裂间距退出注水管,开始第二段压裂施工,重复上述步骤,完成压裂施工,如图 ()所示。工程应用分析针对巴拉素煤矿 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,分层位弱化治理,以达到定向长钻区域治理与常规短钻局部治理的综合治理效果,从而保障该
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