定向水力压裂弱化坚硬顶板技术应用研究.pdf

2 0 1 5年第 4期 童 娃茬 斜 救 l 6 3 定 向水力压裂弱化坚硬顶板技术应用研究 杨胜利 山西晋城煤业集团寺河煤矿二号井，山西 晋城0 4 8 0 0 0 摘要针 对寺河煤矿二号 井 l 5 煤层 坚硬顶板 难以垮 落，易造成 大面积悬顶致 灾等 问题 ，该 文介绍 了以往矿上 采用的两 巷深孔爆破技 术治理 K 2石灰岩顶板 的弊端 ，并指 出其 与定向水力压 裂技 术的区别 ，通过 围岩地质 力学测试 ，提 出了坚硬 顶板 定向水力压裂 弱化新技术 的合理 参数 ，并在 1 5 1 3 0 5工作 面进行 了工程 实践 。实践 结果表 明水力压裂裂缝 的扩展 半 径约为 2 0 ～ 2 5 m，顶板依次分层垮 落，取得 了明显的效果。 关键词 坚硬顶板定 向水 力压 裂扩展 半径顶板弱化 中图分类号T D 文献标识码B d o i 1 0 ．3 9 6 9 ．i s s n ． 1 0 0 5 2 8 0 1 ．2 0 1 5 ．0 4 ． 7 4 Appl i e d r e s e a r c h o f t he di r e c t i ona l hy dr a ul i c f r a c t ur i ng t e c hno l o g y i n we a ke ni ng ha r d r oo f Ya ng S h e n g l i S i h e C o a l Mi n e No ． 2 w e l l ， S h a n x i J i n c h e n g A n t h r a c i t e Mi n i n g G r o u p ， S h a n x i J i n c h e n g 0 4 8 0 0 0 Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e p r o b l e m o f t h e c o l l a ps i n g d i f fi c u l t y a n d h a n g i n g t h e b i g a r e a r o o f i n 1 5 c o a l s e a m h a r d r o o f o f S i h e Co a l M i n e No ． 2 s h a ft ，t h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e d r a wb a c k s u s i n g the d e e p h o l e b l a s t i n g t e c h n o l o g y i n t wo e n t r i e s i n p a s t t o g o v e r n K2 l i me s t o n e ， a n d p o i n t s o u t t h e d i ffe r e n c e wi t h t h e d i r e c t i o n a l h y d r a u l i c f r a c t u r i n g t e c h n o l o g y , t h r o u g h t h e g e o l o g i c a l me c h a n i c s o f s u r r o u n d i n g r o c k t e s t ，a n d p u t f o r wa r d r e a s o n a b l e p a r a me t e r s o f d i r e c t i o n a l h y d r a u l i c f r a c t u r i n g o f h a r d r o o f we a k e n i n g o f n e w t e c hn o l o g i e s ， a n d g i v e s t h e e n g i n e e r i n g p r a c t i c e i n 1 5 1 3 0 5 wo r k i n g f a c e ． T h e p r a c t i c e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t t he e x p a n s i o n r a d i u s o f t h e h y d r a u l i c f r a c t u r i n g i s a bo u t 2 0 - 2 5 m， s e q u e n t i a l l y l a y e r e d r o o f c a v i n g ， a n d a c h i e v e d s i g n i fi c a n t r e s u l t s ． Ke y wo r d s h a r d r o o f d i r e c t i o n a l h y d r a u l i c f r a c tur i n g e x p a n s i o n r a d i u s r o o f we a k e n i n g 晋城矿区主要可采煤层为山西组 3 、9 、1 5 煤 层，其 中浅部 3 煤层资源正逐渐枯竭 ，中部 9 煤层赋存不稳定 ，且煤层较薄 ，很多矿井的 9 煤层 不具有开采价值 ，晋城矿区很多矿井开始向深部转 移，开采赋存较为稳定 1 5 煤层 ，煤层中厚 ，一般 为 2 ． 4 - 3 ． 5 m，但是 1 5 煤层无直接顶，上覆基本顶 岩层为 K 2巨厚石灰岩 ，厚度在 7 ． 5 ～ 1 1 ． 4 m，致密坚 硬，全区稳定 ，处于直覆状态 ， K 2石灰岩层单轴 抗压强度高，完整性好、节理裂隙不发育。其显著 特征是工作面回采初期，基本顶长期悬顶不易垮落， 矿上只能采取强制放顶，以避免工作面大面积来压 对作业 区域的人员和设备 的威胁 J 。传统的两巷 超前深孔爆破技术取得了一定的效果 ，但爆破也产 生了一系列的负面问题，如上隅角瓦斯过大 ，爆破 耗材多，施工钻孔数量多、大面积来压时对支架冲 收稿 日期2 0 1 4 1 2 2 9 作 者简 介杨 胜 利 1 9 6 7一，男，采煤 工程 师 ，1 9 8 8年 毕 业 于山西省煤 炭工业学校 地下采煤专业 ，现任 山西晋城煤 业集团寺 河煤矿二号井安全副矿长，从事煤矿安全生产管理相关工作。 击剧烈等。严重制约了矿井的安全高效生产。 1 深孔爆破的弊端 为解决 1 5 煤层工作面初采其期间大面积悬顶 稳定 ，寺河煤矿最先采用的是两巷超前深孔爆破技 术强制放顶 ，采用超前深孔预裂爆破弱化方式处理 难垮顶板时 ，预裂爆破导致的震动会对周围环境产 生一 定 的影 响。 同时爆 破需用大 量火药 ，每孔 用量 达几十千克，危险性高，需在所有回风系统设置警 戒，爆破产生的有害气体、火焰等将会带来一系列 危害 ；另外，超前深孔预裂爆破弱化顶板对控制回 风巷上隅角悬顶效果较差 ，经常会造成上隅角悬顶 面积过大垮落时瓦斯超限的现象。 水力压裂作为一种经济有效的坚硬难垮顶板控 制技术已在国外推广应用 ，可弥补上述技术的 不足，已在生产实践中显示出良好的技术经济和社 会效益。国内已经展开 了水力压裂在煤矿中应用的 相关研究 ，主要有定向水力压裂控制坚硬顶板机理 1 6 4 童 媳蕉 斜技 2 0 15 年 第 4 期 及 实验研究 ，水 力压裂弱化 坚硬顶煤 、提高煤层透 气性及瓦斯抽采效果等。但是，关于水力压裂技术 在 我 国坚硬难 垮顶板控制 方面 的应用却 不多见 ，由 坚硬难垮顶板控制带来的上述问题依然存在 。 2 水力压裂弱化坚硬顶板技术特点 1 与传统水力压裂作业不同，水力压裂控 制煤矿坚硬难垮顶板作业是在井下进行 ，需满足井 下作业条件，如作业空间狭小等。 2 水力压裂控顶技术需满足快速实施的特点， 由于我国煤矿大都采用长壁式综合机械化采煤法 ， 工作面推进速度比较快，要求顶板能够及时垮落。 3水力 压 裂控 顶技 术不会 对 正常 的 回采 工 艺产生 干扰。 4与爆破控顶相 比，安全性好 ，并且所需 钻孔数量少 ，使得作业速度大大提高。 3 工程实践 3 ． 1 试 验 工作 面概 况 以晋煤集团寺河矿二号井 l 5 煤层 1 5 1 3 0 5工作 面为试验工作面。煤层底板标高 5 3 6 ～ 5 4 1 m，埋深 约 为 3 6 0 m，上 距 9 煤 层 2 8 ～ 3 0 m，煤 层 平 均 厚 度 2 ． 3 6 m，含夹矸 2 4层，煤层平均倾角为 4 。 。1 5 煤 层直接顶板为 K 石灰岩 ，平均厚度 1 0 ． 2 9 m，深灰 色，致密坚硬，单轴抗压平均强度为 1 2 3 MP a ，属 于极坚硬难垮落顶板。直接底板为泥岩，平均厚度 约 4 ． 2 4 m，属松软型。煤层顶底板岩性分布如图 1 。 l 耋 晷 柱 抗 量 深 层 犀 m 111 岩 幢 描 速 f rL _ 广 LTL l rL T 上T 上 3 5 6 ．5 6 l O 2 9 深灰色 ．致密，坚硬 T J _ T r J 1 rL T 3 5 9 _2 2 2 3 6 蒜色，仪查晨光泽 ． 3 6 1 ．5 2 2 6 D 灰色，遇水 胀 3 6 9 ．S 2 8 肿 灰色，致密，性脆 图 1 煤 层 顶 底 板 岩 性 综 合 柱 状 图 3 ． 2 地质力学参数分析 3 ． 2 ． 1 围岩强度测试结果 在顶 板测孔 中利 用 WQC Z 一 5 6型 围岩 强度测 试 装置对钻孔 l O m范围内的岩石进行了岩体进行了原 位强度测试 ，测试结果为岩体的单轴抗压强度在 8 0 ～ 1 4 0 MP a 之间，属于坚硬难垮落顶板。 3 ． 2 ． 2 地应力测试结果 采用水力致裂法对 1 5 煤原岩应力进行测试 ，测 试结果见表1 ， 其中 盯 为垂直应力， 盯 为最大主应力、 o r 为最小主应力。1 5 煤地应力水平属于低地应力区。 总体上为 盯H 盯 v 盯 h 应力场，以构造应力为主。 表 1 1 5 煤地应 力测试 结果 埋深 盯h 最大水平 测点 MP a 主应 力方 向 m 1 1 78 6 ． 91 8 ． 6 6 7 ． 9 2 N21 ． 5 。 E 2 1 56 5 ． 8 8 8 ． 4 3 7 ． 8 8 N3 0 ． 6 0 E 3 l 37 5． 1 6 8 ． 1 2 7 ． 8 7 N 1 8 ． 5 。 E 3 ． 3 坚硬顶板定向水力压裂设计 依据围岩力学测试及围岩结构测试结果 ，由下 式可计算裂缝起裂压力。 Pb Pb 3 0 -m i n 一 a 对 工 作 面切 眼处 进行 了定 向水力 压 裂 方 案设 计。水力压裂钻孔布置如图2所示。钻孔采用直径 为 q b 5 6 mm的保径加强钻头进行钻进。 3 ． 3 ． 1 切 眼压裂钻孔布置 根 据钻孑 L 参 数 的不 同 ，在切 眼共 布置 2 种类 型 的压裂钻孑 L ，分别为 1 压裂钻孔 一 S ’ ，图 2 b 所示 ，钻孔 长度 为 2 5 m，倾角为 4 5 。 。 2 压裂钻孔 一 L ’ ，图 2 C 所示 ，钻 孔长度 钻 3 3 m，倾角为 3 0 。 。 a钻孔布 置俯 视图 bI - I 剖面 图 cl I I I 剖 面图 图 2 切 眼水 力压 裂钻 孔布置 钻孔 间距 均为 l O m，可根据现场 压裂情况 进行 适 当调整 。 2 0 1 5年第 4期 媳蕉 斜技 1 6 5 3 ． 3 ． 2 钻孔施工顺序 先进行压裂钻孔 一 L t 的钻进和压裂作业；待压 裂钻孔 一 L t 的压裂工作全部结束后 ，再进行压裂钻 孔 一 s t 施工 和压裂 作业。 4 效果分析 4 ． 1 施工情况统计 工作面切眼处共施工 8个钻场，5 6个钻孑 L ，挑 选 1 钻场的7 个钻孑 L 的施工情况进行统计 ，见表 2 。 表 2 XV1 3 0 5工作面切眼钻孔施 工情 况 孔号 ／ 时间 压力 压裂位置 备注 次序 MP a m 1 1 1 1 ．2 5 ． 1 6 1 7 5 8 一 l 8 2 8 2 4 ～ 2 4 2 4 正常停止 深孔 1号孔 出 1 2 1 1 ．2 5 ． 1 6 1 9 0 0 ～ 1 9 2 9 2 6 2 1 水 深孔 1 号孔少 1 3 1 1 ．2 5 ． 1 6 2 0 0 0 ～ 2 0 3 0 2 6 l 8 量出水 深孔 l号孔少 1 “ 4 1 1 ．2 5 ． 1 6 2 1 2 1 ～ 2 1 5 2 3 2 ～ 2 8 1 5 量出水 附近锚 索大量 1 5 1 1 ．2 5 ． 1 6 2 2 0 6 ～ 2 2 2 3 3 2 ～ 2 6 1 2 出水 附近 锚索 1个 1 6 1 1 ．2 5 ． 1 6 2 2 3 9 ～ 2 2 4 7 2 5 9 离层仪 出水 附近锚 索大量 1 7 1 1 ．2 5 ． 1 6 2 3 1 8 - 2 3 2 4 2 0 5 出水 统计结果表明，钻孔布置合理，预制横向切槽 钻头 K Z 5 4能够在 1 5 煤层顶板坚硬岩石钻孔中产 生径 向切槽 ，该横向切槽可使定向水力压裂裂缝 以 较低压力起裂 ，预制切槽的半径约为钻孔直径的 2 倍 ， 钻孔直径为5 6 mm， 采用轻便钻孑 L 设备即可完成， 水力压裂裂缝的扩展半径约为 2 0 ～ 2 5 m。 4 ． 2工作面切眼实验效果分析 工作 面液压 支架后方 采空 区最大悬 顶长度监 测 如表 3 所示 ， ． 监测曲线如图 3所示。 根据监测数据和监测曲线可知 ，XV1 3 0 5工作 面回采过程 中最大悬顶面积能够满足现场小于 4 X 4 m的要求 ，水力压裂的效果较明显。 5 结论 1 与传统的两巷超前深孔爆破技术相比， 定 向水力压裂弱化 顶板技 术优势明显 ，工人强度低 ， 对工作面作业环境无污染。 表 3 工作面支架后方悬顶长度监测数据 l监测日期 2 0 1 4 3 ／ 2 6 4 ／ 1 4 ／ 2 4 ／ 7 4 ／ 9 4 ／ 1 4 4 ／ 1 6 4 ／ 2 1 4 ／ 3 0 _ 悬顶长度 m 4 2 1 3 3 1 ． 5 0 2 4 5 4 埘 誊 3 饕 2 【 参考文献 】 [ 1 ] 崔凯，张召千，等 ． 晋城矿 区坚硬顶板工作面矿 压显现规律研究 [ J ]． 煤矿安全，2 0 1 3 1 2． [ 2 ] 冯彦军，康红普 ． 定向水力压裂控制煤矿坚硬难 垮顶板试验 [ J ]． 岩石力学与工程 学报，2 0 1 2 ， 3 1 6l 1 4 8 1 1 5 5 ． [ 3 ] 黄炳香，程庆迎，刘长友，等 ． 煤岩体水力致裂 理论及其工艺技术框架[ J ] ． 采矿与安全工程学报， 2 0 1 1 21 6 7 一 l 7 3 ． [ 4] 康红普，冯彦军 ． 定向水力压裂工作面煤体应力 监测及其演化规律 [ J ] ． 煤炭学报， 2 0 1 2 ， 3 7 2 1 9 5 3 1 9 5 9 ． [ 5] 杨新建，中志平 ． 深孔爆破弱化坚硬顶板技术在大 采高综采工作面的应用 [ J ] ． 煤矿开采，2 0 0 7 6 ． [ 6] 于斌 ，段宏飞 ． 特厚煤层高强度综放开采水力压 裂顶板控制技术研 究[ J ] ． 岩石力学与工程学报， 2 0 1 4 ．3 3 47 7 8 7 8 5 ． 上接 第 1 6 2页 [ 2] 蔡美峰 ． 地应力测量原理和技术 [ M ] ． 北京科 学出版社 ，2 0 0 0 ． [ 3 ] 钱呜高，石平五 ． 矿山压力与岩层控制 [ M]． 徐州 中国矿业大学出版社 ，1 9 9 4 ． [ 4] 钱呜高，缪协兴，许家林，等 ． 岩层控帝 J 的关键层 理论 [ M]． 徐州中国矿业大学出版社，2 0 0 3 ． [ 5] 蒲文龙，张宏伟，郭守泉 ． 深部地应力实测与巷 道稳定性研究[ J ] ． 矿山压力与顶板控制， 2 0 0 5 1 ．