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★ 煤矿安全 ★

基于马兰矿坚硬顶板的水力压裂技术试验研究

王浩鹏

(山西西山煤电股份有限公司马兰煤矿,山西省古交市,030205)

摘 要 为了解决马兰矿坚硬顶板所带来的端头悬顶与巷道变形严重等问题,以马兰矿8号煤层的18509工作面为研究对象,探索了水力压裂技术原理。针对18509工作面实际情况,制定了水力压裂技术试验方案,分别从端头悬顶、巷道片帮底鼓和瓦斯抽采3个方面进行了对比分析。研究表明,与实施水力压裂前相比,18509工作面端头悬顶长度由过去的十几米至几十米减小至5 m以内,其辅运巷压裂段底鼓量较非压裂段降低70%左右,同时压裂钻孔的瓦斯抽采浓度较普通钻孔的抽采浓度提高了30%左右,有效保证了工作面的安全回采。

关键词 坚硬顶板 水力压裂技术 端头悬顶 巷道变形 瓦斯抽采

山西西山煤电股份有限公司马兰矿8号煤层的18509工作面顶板坚硬,存在一层厚硬的灰岩和砂岩层,强度高、完整性强,造成马兰矿存在两方面的技术难题:端头顶板悬而不断,采取退锚措施后,悬顶距离依然达到10~30 m,突然垮落会将采空区瓦斯挤出,造成瓦斯超限;18509工作面在回采过程中会与正在掘进的18507胶带巷交锋,强采动应力会造成巷道围岩压力加大,出现片帮、底鼓等现象,巷道难以维护。采用水力压裂卸压技术可有效弱化顶板力学性能,实现坚硬顶板的高效预裂,在治理18509辅运巷端头悬顶的同时,对18507胶带巷起到保护作用。因而解决了工作面的安全生产和采动影响巷道的围岩控制问题,具有重要的现实意义和推广应用价值。

1 工作面条件

1.1 地质条件

18509工作面倾斜长度240 m,走向长度1359 m,地面标高1225~1337 m,工作面标高784.3~836.9 m,埋深450~500 m。工作面所采煤层为石炭系太原组8号煤层,属稳定可采厚煤层,煤层厚度3.86~4.85 m,平均厚度4.35 m。煤层倾角0°~9°,平均倾角2°。绝对瓦斯涌出量为44 m3/min,相对瓦斯涌出量为8.27 m3/t,瓦斯压力0.43 MPa。

18509辅运巷顶板采用Ф20 mm×2800 mm螺纹钢加长锚固树脂锚杆+钢筋钢带+锚索+金属菱形网的联合支护形式。锚杆间排距为1050 mm×1000 mm,每排5根,呈矩形布置;顶锚索间排距2100 mm×2000 mm,距帮1.3 m,布置在两排锚杆中间位置,锚索钢绞线的规格为Ф21.6 mm×5200 mm。18507胶带巷顶板采用Ф20 mm×2800 mm螺纹钢加长锚固树脂锚杆+钢筋钢带+锚索+金属菱形网的联合支护方式,顶锚杆间排距1000 mm×1000 mm,呈“六·六”矩形布置;顶锚索间排距2500 mm×2000 mm,距帮1.55 m,布置在两排锚杆中间位置,锚索钢绞线的规格为Ф21.6 mm×5200 mm。

1.2 开采技术条件

18509工作面采用倾斜长壁后退式一次采全高综合机械化采煤方法,全部垮落法处理采空区顶板,采煤机回采过程中跟底跟顶回采。煤层顶底板岩性情况见图1。

图1 煤层顶底板岩性情况

2 水力压裂技术原理

2.1 技术原理

水力压裂技术是将高压水注入目标岩层,通过改造岩层结构,形成裂缝网络系统,削弱顶板的强度和整体性,完整岩层分为多层,使采空区顶板能够分层分次垮落,缩短初次来压和周期来压步距,减弱高应力向邻近巷道的转移,降低煤柱支撑压力,从而减缓邻近巷道的变形,对矿井安全生产具有重要意义[1-4]。水力压裂技术立体示意图见图2。

图2 水力压裂技术立体示意图

顶板水力压裂可人工增加裂缝的数量,在坚硬顶板中形成水压裂缝网络,破坏其整体性,从而促使端头悬顶及时垮落;工作面回采产生的超前支承应力主要通过煤层上方的关键岩层进行传递,因此对煤柱上方的顶板采用水力压裂,可有效切断采动应力的传递路径,控制邻近巷道的变形[5-9]

端头悬顶的预裂对象主要为低位岩层,仅需冒落的岩层能够超过巷道的高度即可,因此确定水力压裂顶板的层位为0~6 m;控制动压的预裂对象主要为煤柱上方的泥灰岩和砂岩,因为该岩层是产生采动应力的主要力源,因此确定水力压裂的顶板层位为0~13.5 m。此外,端头悬顶的存在也为临空巷道增加了附加载荷[10-12]。水力压裂“端头悬顶治理+动压护巷”的控制原理如图3所示。因此,笔者采用“低位致裂+高位弱化”的控制思路,可同时解决端头悬顶治理和动压巷道的控制问题。

图3 水力压裂“端头悬顶治理+动压护巷”的控制原理

2.2 顶板水力压裂技术工艺

水力压裂的工艺原理如图4所示。水力压裂系统主要包括高压系统(泵+水箱+高压胶管+电控箱)、送装杆、封隔器、水压裂监测系统。施工流程为钻孔-安装封隔器-开泵压裂-停泵卸压-再次定位封隔器,依次循环。全部设备和材料均可重复使用,初期投资不高,长期消耗率也很低[12-14]

图4 水力压裂工艺原理

3 顶板水力压裂方案

端头悬顶和动压巷道水力压裂钻孔布置如图5所示,在18509辅运巷前800 m施工钻孔并压裂。

每隔10 m布置一组钻孔,每组包括3个钻孔,分别为孔A、孔B、孔C。孔A和孔B主要用来压裂端头悬顶,呈三花布置,孔B和孔C主要用来压裂煤柱上方顶板,呈扇形布置。其中,孔B同时兼顾端头悬顶和动压巷道压裂的作用。

钻孔A贴正帮平行巷道向采空区方向施工,开孔位置距离巷帮500 mm,仰角为45°,钻孔长度10 m;钻孔B贴副帮向采空区后方施工,开孔位置距离巷帮500 mm,方位角为偏离巷道方向10°,仰角45°,钻孔长度为19 m;钻孔C垂直巷帮斜向煤柱顶板施工,仰角42°,钻孔长度20 m。钻孔A、B、C直径均为60 mm。钻孔A压裂3段,孔B和孔C压裂5段,两段之间的间距平均为3 m,具体见图5,每段的压裂时间控制在30 min。由于顶板条件会变化,因此钻孔长度、间距等参数在现场根据钻孔施工情况和水力致裂情况进行适当调整;在后期压裂过程中,如果仅依靠孔B和孔C即可达到压裂效果,可考虑微调施工方案,取消钻孔A。为了增加水力压裂过程中裂缝的数量,需采用大排量压裂泵,泵的排量确定为118 L/min。由于灰岩顶板的强度较高,f系数接近10,抗拉强度为8~13 MPa,且最小主应力为7.8 MPa,再按照2倍的富余系数考虑,泵需要提供40 MPa以上的压力。

图5 端头悬顶和动压巷道水力压裂钻孔布置

4 水力压裂技术实施后效果分析

通过对18509辅运巷前800 m进行水力压裂试验,从端头悬顶情况、巷道片帮底鼓情况和瓦斯抽采情况3个方面统计数据并进行对比分析。

压裂段与非压裂段巷道底鼓量变化如图6所示。18509工作面辅运巷压裂段为前800 m,工作面推进至压裂段后,动压显现情况较非压裂段有一定的好转,主要体现在以下2个方面。

(1)进风隅角悬顶。工作面推进至压裂段后,前30 m的范围内,三角区顶板能够随工作面推采及时垮落。垮落形式为分次垮落,悬顶问题得到有效处理。因此,与实施水力压裂前相比,端头悬顶长度由原先的十几米至几十米减小至5 m以内。

图6 压裂段与非压裂段巷道底鼓量变化

(2)邻近18507运输巷矿压显现情况。根据对18507运输巷底鼓量的统计,前1000 m左右(压裂段)的位置平均底鼓量为0.3 m左右(卧底1次);而在非压裂段(800~1300 m),初次平均卧底量为1 m左右,在有些区域甚至进行了2次卧底,总体卧底量达到2 m左右。通过以上对比,18509辅运巷压裂段底鼓量较非压裂段降低70%左右。而在压裂段范围内,底鼓量较小,但其滞后工作面在150 m以内,受动压影响较小。因此与实施水力压裂前相比,18507运输巷矿压显现降低,巷道变形量明显减小,片帮和底鼓现象得到有效控制。

(3)在18509工作面压裂过程结束之后,对压裂孔进行瓦斯抽采,并监测瓦斯抽采数据。根据抽采数据绘制了压裂钻孔和普通钻孔抽采浓度变化曲线,如图7所示。

图7 普通钻孔与压裂钻孔瓦斯抽采浓度对比分析

由图7可以看出,普通钻孔平均瓦斯抽采浓度为8%,压裂钻孔平均瓦斯抽采浓度为11%,因此,压裂钻孔的瓦斯抽采浓度明显高于普通钻孔的抽采浓度,压裂钻孔的瓦斯抽采浓度较普通钻孔的抽采浓度提高了30%左右,从而使得工作面的瓦斯不会超限,保证了工作面的安全回采。

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Experimental study on hydraulic fracturing technology based on hard roof of Malan Mine

Wang Haopeng

(Malan Coal Mine, Shanxi Xishan Coal Electricity Group Co., Ltd., Gujiao, Shanxi 030205, China)

Abstract In order to solve the hanging end roof problem and serious roadway deformation caused by hard roof in Malan Mine, the author explored the principle of hydraulic fracturing technology by taking 18509 working face of No. 8 coal seam in Malan mine as the research object. According to the actual situation of the 18509 working face, the hydraulic fracturing technology test scheme was specifically formulated, and the comparison analysis were conducted from the three aspects of the hanging end roof, the roadway wall caving and floor heave and the gas extraction. The results showed that compared with that before hydraulic fracturing, the length of the hanging end top of the 18509 working face was reduced from ten to tens of meters to less than 5 m, and the amount of floor heave in the fracturing section of auxiliary transportation roadway was reduced by about 70% compared with that in the section without fracturing, and the gas extraction concentration of the fracturing borehole was increased by about 30% compared with that of the ordinary borehole, which effectively ensured the safe mining of working face.

Key words hard roof, hydraulic fracturing technology, hanging end roof, roadway deformation, gas extraction

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引用格式:王浩鹏. 基于马兰矿坚硬顶板的水力压裂技术试验研究[J].中国煤炭,2020,46(11)∶78-82. doi:11.19880/j.cnki.ccm.2020.11. 012

Wang Haopeng . Experimental study on hydraulic fracturing technology based on hard roof of Malan Mine[J].China Coal, 2020,46(11)∶78-82. doi:10.19880/j.cnki.ccm.2020.11. 012

中图分类号 TD327.23 TD712.6

文献标识码 A

作者简介:王浩鹏(1984-),男,山西朔州人,工程师,主要从事矿井工程技术管理工作。E-mail:492886072@qq.com。

(责任编辑 张艳华)