东周窑煤矿5102回风巷水力压裂切顶卸压控顶方案设计.pdf

当代化工研究 oc Motiem Chemical Research2020 16 技术应用与研究 东周窑煤矿5102回风巷水力压裂切顶卸压控顶 方案设计 *郭智 同发东周窑煤业有限公司山西037000 摘耍同煤东周窑煤矿综采工作面大面积悬顶给生产造成极大的安全隐患.针对该综采工作面工程概况和水力压裂机理分析，设计5102 回风巷围岩卸压控顶技术方案，现场工业试验结果显示，减小了工作面端头三角区悬顶问题，实现随采随垮，从而降低巷道周围附近的应 力集中程度，使得巷道围岩处于低压区，为矿井的安全生产提供了保障. 关键词综釆工作面；水力压裂；卸压；应力集中 中图分类号T 文献标识码A Scheme Design of Hydraulic Fracturing, Cutting, Pressure Relief and Roof Control in 5102 Return Air Lane of Dongzhouyao Coal Mine Guo Zh i To n gfa Do n gzh o uya o Co a l In d ustr y Co ., Ltd .,Sh a n xi, 037000 Abstract z The large-scale overhanging of thefiilly mechanized miningface ofDongzhouyao Coal Mine in Tongmei Coal caused great potential safety hazards for production. According to the engineering profile of this Jully mechanized coal mining face and the analysis of hydraulic fracturing mechanism, the technical scheme for pressure relief and roof control of surrounding rock of 5102 return air roadway was designed. The results of on-site industrial tests showed that the problem of overhang in the triangle area at the end of the face way reduced Mining is followed by collapse, which reduces the stress concentration around the roadway and makes the surrounding rock of the roadway in a low-pressure area, which provides a guarantee for the safe production of the mine. Key WOfdt fully mechanized mining face hydraulic fracturings pressure reliefs stress concentration 移，剩余残余支承压力其他方向形成，如图1所示。 1-超前支承压力；2、3-工作面方向残余支承压力； 4-工作面后方残余支承压力 图1采空区应力分布 由于回采工作面时间还有位置的改变致使煤柱两侧所受 应力也随之改变。图2可以清楚看出距离工作面前方较远的 是原始应力区不受回采影响，离工作面后方较远的地方应力 趋于平稳，在工作面附件的是高应力区受工作面影响很大。 3.设计方案 水力压裂Hyd r a ul ic Fr a c tur in g是指裂纹由 于其内部液体压力的作用 而开裂并扩展的过程，由 于应用领域的不同，有时 也称作水压致裂或水力劈 裂⑷。在煤炭、天然气、 石油等领域，水力压裂技 图2支承压力随工作面变化 术正在大显身手，对其产量的增加有明显效果。 1 引台 煤层中坚硬难垮顶板最为普遍，在我国煤层分布中约占 总数的30。在之前的开采中使用最多的是爆破弱化方法， 但是这种方法需要使用大量火药，给安全生产带来极大的隐 患。所以亟需一种更加安全高效的解决方案去攻克坚硬顶板 问题。王浩切通过定向钻机施工技术对顶板采用分孔分段水 力压裂，煤层瓦斯抽采有了较大提升。易国晶切在煤矿中应 用水力压裂技术，煤层强度被降低，改变了瓦斯中的作用 力，提高的瓦斯治理能力。高金强⑷对坚硬密致顶板采用水 力压裂技术，使顶板岩石依次分层分段掉落。可以看出水力 压裂技术在煤矿中应对瓦斯和顶板坚硬难垮问题表现突出。 2.工程概况 东周窑煤矿是大同煤矿集团旗下的一家煤矿。该矿位 于山西省左云县东部，东西长约15.8km,南北宽约14. 4km, 面积119. 1288km1 2,开采深度由1544. 9m至700m标高。可开采 煤田为4、5、8-1、8-2煤层，资源储量为169422万吨。 8102工作面回采与5100辅运巷掘进交锋，因此5100辅运 巷动压影响十分强烈，应力环境十分复杂，是巷道变形的主 要因素。 针对上述情况，为减少应力集中，减轻巷道变形，保证 工作面正常回采，采用水力压裂切顶卸压技术将巷道附近的 高应力削弱或转移。 我们在矿井下进行大量回采工作后，使得在其周围构 成压力带，这是由于上方岩石的重力向采空区四周分布。超 前支承压力在工作面前产生，并可以随着工作面的移动而转 当代化工研究 Modem Chemiad Remearch86 技术应用与研究 2020 ・ 16 水力压裂技术是指在钻孔压裂段预制裂痕，进而控制水 力压裂裂痕扩展方向的技术间。水力压裂技术主要通过压裂 和软化两个方面来对坚硬顶板进行破坏，削弱顶板的强度和 硬度，使其不再具有完整性。通过实现分层分段分次下落， 可以减小采空区受到的压力，进而达到消除坚硬顶板对工作 面回采危害。 顶板的水力压裂包括三个主要进程密封、高压水压裂 和保压灌水，如图3所示。 图3顶板水力压裂工作原理 裂缝开裂后不可避免地会导致水压下降。此时，有必 要继续注入水以确保达到一定的水压，这通常被称为保压阶 段。在这个阶段，裂缝将继续扩大，并伴有新的裂缝。使用 流量计监测流量和注入的水量，以确保顶面岩层被充分弱化 和软化。 根据顶板岩层强度等多方面分析，确定在5102辅运巷 400m区域作为试验段（超前工作面100m,巷道变形较小地 段）,计划布置400m单排孔。 煤柱侧钻孔在顶板开单排孔，采用地质钻机打孔，钻孔 直径56mm,位置距侧帮l m,钻孔水平投影与巷道轴线方向呈 5夹角，偏向煤柱侧，钻孔排距10m。钻孔排距10m,钻孔 斜长深度50m,压裂钻孔浅部10m不压裂（保护巷道锚索支护 结构），剩余13-50m范围每隔3m压裂一次，每个钻孔预计压 裂14次，每次注水时间30min ,注水量80L/min ,为确保压裂 效果，需严格保证单孔压裂次数和压裂时间，确保压裂钻孔 之间顶板裂隙贯通。 4.现场工业试验 ⑴顶板岩层強度测试 对2102皮带顺槽190m位置处顶板强度测试，顶板岩性强 度变化较大，砂岩在0-1. 5m处的强度为84-103MP ,煤体强 度在1.5-2. 4m处为6-10MP a ,结果如图4所示。 钻孔深皮（ （m） 图4 2102皮带顺槽掘进190m位置处顶板强度 帖孔瀕度（ （m） 图5 5102辅运顺槽掘进320m位置处顶板强度 对5102辅运顺槽掘进320m位置处顶板强度测试结果，0- 1. 3逸岩强度为50-90MP a , 1. 3-2. 4m煤体强度为16-40MP a , 2. 4-4. 6m煌斑岩强度均超过90MP a , 4. 6-6. 0m煤体强度为 5-10MP a o结果如图5所示。 对5102辅运顺槽掘进670m位置处顶板强度测试结果，0- 1.5m处煤体强度为6-13MP a , 1. 5-2. 6m处为煌斑岩，强度为 75-100MP a , 2. 8-5. 0m处为完整的煤体，强度为10-25MP a。 结果如图6所示。 图6 5102辅运顺槽掘进670m位置处顶板强度 从图中可以看出，受煌斑岩的影响，煤体的强度由10- 25MP a降低为5-10MP a ,同时煌斑岩自身节理裂隙较多，并不 完整，强度在50-100MP a变化。 ⑵钻孔施工 采用后退式单孔多次压裂，每隔2-3m压裂一次，单孔压 裂次数10-13次（次数可根据窥视和强度进行调整），压裂 到距孔口 13m处停止压裂⑷。遇到紧急情况要及时停止施工 如顶板大面积渗水、出现异常声响等。水力压裂过程连接 封孔器一连接注水管一连接高压水泵一加压封孔器〜打开高 压泵，注水压裂一压裂30分钟或相邻孔出水后停泵一封孔器 泄压f交替压裂其他孔开始第二阶段压裂一开启循环压裂过 程直至达到13m。 5.结论 针对该煤矿5102回风巷地质情况，顶板上部存在含砾粗 砂岩，并且厚度超过10m,硬度高。在顶板处采用水力压裂 切顶卸压技术，保证顶板分层分段垮落，工作面端头大面积 悬顶得到有效控制，避免上下隅角瓦斯聚集，减小了巷道变 形，实现工作面安全正常回采。 【参考文献】 [1] 王浩.分支钻孔分段水力压裂技术研究及应用[J].煤炭技 术, 2020, 1138-140. [2] 易国晶.水力压裂技术在煤矿瓦斯治理中的应用研究[J]. 化工管理，2020, 6 133-134. [3] 高金强.水力压裂在采煤工作面初次放顶中餉应用[J].石 化技术， ，2020, 1 308, 316. [4] 魏晓凯.综放工作面进风巷水力压裂切顶却压技术的研究 与应用[J].机械管理开发,2019, 198 （10） 210-220. [5] 孟秀峰，赵洪亮.综放工作面水力压裂顶板控制技术研究 [J].煤炭工程，2017,49 （7） 75-77. [6] 李雨.水力压裂起裂与扩展分析[J].化工管理，2016,14 165. [7] 冯彦军.煤矿坚硬难垮顶板水力压裂裂缝扩展机理研究及 应用[D].北京煤炭科学研究总院,2013. [8] 许建平.干河煤矿2-209工作面副巷超前水力压裂切顶卸压 技术实践[J].煤矿现代化,2019, 150⑶⑶33-35. 【作者简介】 郭智（ 1987-）,男，山西省朔州市人，同发东周窑煤业有限 公司；研究方向煤矿安全与灾害防治.