综采工作面初采放顶水力压裂控制技术研究与应用.pdf

当代化工研究 QQ Modem Chemical Research 7 72020 ・ 10 技术应用与研究 综釆工作面初采放顶水力压裂控制技术 研究与应用 *侯建英 山西焦煤集团有限责任公司东曲煤矿山西030200 摘要结合东曲煤矿8煤层18311工作面初采期间使用水力压裂控制顶板的技术研究和应用实践，通过井下试验、现场写实、实践验证 相结合的方法，研究了水力压裂对顶板岩层的弱化及初次垮落的作用。结果表明，采用水力压裂控制釆空区顶板期间，工作面老顶初次 来压步距为40m,要比强制放顶缩短5m更重要的是，采空区顶板初次垮落期间未形成冲击，未对工作面产生影响，实现了工作面初采安 全，达到了预期的控顶效果，为今后在东曲煤矿其他综釆工作面的推广应用提供了实践基础. 关键词倾斜长壁；顶板控制；水力压裂；垮落；裂缝 中图分类号TD 文献标识码A Research and Application of Hydraulic Fracturing Control Technology for Initial Mining and Caving in Fully Mechanized Coal Face Ho u J ia n yin g Do n gqu Co a l Min e o f Sh a n xi Co kin g Co a l Gr o up Co ., Ltd ., Sh a n xi, 030200 Abstracts Combined with the technical research and application practice of controlling roof by hydraulic fracturing during the initial mining of 18311 working face of 8 coal seam in Dongqu Coal Mine, through the of combining downhole tests and field reality with practical verification, The effect of hydraulic fracturing on the weakening and initial caving of roof strata is studied. The results show that during the control of goaf roof by hydraulic fracturing, The results show that during the period of using hydraulic fracturing to control the roof of goaf, the initial pressure step distance of the old roof in working face is 40m, which is 5m shorter than that offorced caving. More importantly, during the initial collapse of the goaf roof, there wa s no impact on the working face, which realized the safety of the initial mining and achieved the expected effect of roof control, and provided a practical basis far the promotion and application of other comprehensive mining working faces in Dongqu Coal Mine in the future. Key words i inclined long walk roof controls hydraulic fracturings collapse fracture 1 工程简介 山西焦煤集团有限责任公司东曲煤矿8煤层18311工作 面顶板坚硬，存在厚硬的石灰岩和砂岩层，强度高，完整性 强，造成东曲煤矿工作面初次垮落步距大，在不采取强制放 顶措施时，初次垮落步距可达40m。且矿井为高瓦斯矿井， 传统的深孔爆破具有一定的风险。对此，采用中国矿业大学 研制的高效水力压裂顶板技术，可在顶板岩层中预先产生大 量的水压裂缝，降低石灰岩和砂岩层的完整性，从而减小工 作面的初次垮落步距，保证工作面安全生产。 2.工作面条件 ⑴地质条件 层间距 层厚 （nO 柱状 1 200 标志层岩石名称 岩性描述 2.50 1 1 1 石灰岩灰色,质不纯，含动物化石碎片 15.08 5.80细粒砂岩 上部为泥岩（含粘土质）与粉砂 岩互层，中部为细砂岩，以石英 为主，下部为中砂岩 0.50 /1\ 灰色，质不纯，含动物化石碎片 2.50-5.20 1 1 L1石灰岩灰黑色，含动物化石碎片，有节理 4.90 1 0.3-1.0 \/ 8号上煤黑色，以半亮型煤为主，结构复杂 0.63 0.10-6.40 0.75 X 泥岩灰色，含植物化石碎片 2.61 0.2-3.3 2.61 8号煤黑色，以半亮型煤为主，结构复杂 1.201.20砂质泥岩灰色，含大量云母及黑色矿物 图1钻孔柱状图 183111作面北西为已回采的18309工作面，北东为矿 界，南西为主要大巷，南东为18313工作面。上方4煤已回 采。切眼附近有2、4煤层小窑破坏区。4〜8煤的层间 距约为68m。18311工作面走向长度910m,倾斜长度179m,地 面标高1173〜1299m,工作面标高984〜1020m,盖山厚度为 177〜285m。本工作面8煤层结构复杂。8上煤厚度为0. 42〜 0.92m,平均厚度为0.61m；夹肝厚度为0. 6〜0. 7m； 8煤厚度 为2. 04〜3. 58m,平均厚度为3.28m,正常涌水量为5m3/h ,最 大涌水量为2澎/11。瓦斯绝对涌出量为1.68m3/min。 ⑵开采技术条件 工作面回采高度为3. 5m,采用倾斜长壁后退式一次采 全高综合机械化采煤方法，全部垮落法处理釆空区顶板， 采煤机回采过程中跟底跟顶回采。工作面液压支架型号为 ZY8000/25/50,支架的安装从机头第一架开始依次向机尾安 装，共106台。机头3台端头支架，1台过渡支架；机尾4台过 渡支架中间基本架98台。 表1工作面设备 1采煤机MGCL500/1140-WD 台 1 2刮板运输机SGZ900/1050 台 1 3液压支架ZY8000/25/50架106 4端头支架ZYT-8000架3 5过渡支架ZYG-8000架5 6转载机SZZ900/315 台 1 inn 当代化工研究 丄 UU Modem Chemical Research 技术应用与研究 2020 ・ 10 7破碎机PCM200 台 1 8扩音电话KTK101部17 9胶带输送机DSJ 1200/2*315部1 10乳化液泵BRW-400/31. 5 台 2 11喷雾泵BPW-315/6. 3 台 2 3.控制思路 工作面初采期间，坚硬顶板悬跨于工作面侧和靠开切眼 侧的煤体上，可视为两端固支的梁。随着工作面的推进和坚 硬顶板悬跨距离的增大，在其上覆岩压力的作用下，当坚硬 顶板达到其极限跨距时，便发生初次断裂和垮落。因此，在 开切眼处通过水力压裂的方式，人工增加坚硬顶板中裂缝的 数目，在坚硬顶板中形成水压裂缝网络，破坏其整体性，从 而改变坚硬顶板在此支撑点的约束条件和断裂特性，促使采 空区悬顶及时垮落。根据坚硬顶板的赋存条件，应该促使下 位石灰岩顶板减小断裂步距及早断裂垮落，同时还应限制其 上5. 8m细砂岩顶板的断裂下沉。因此，顶板的压裂高度应该 使顶板冒落后充满采空区。根据回采高度为3.5m,按照碎胀 系数0.3计算，则致裂高位为11m。 图2水力压裂初采放顶的控制原理 4顶板水力压裂技术和工艺 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。 5顶板水力压裂方案 初采顶板水力压裂控制技术方案如图3所示，在18311 整个切眼及两巷40m范围内进行水力压裂。其中切眼内布置 15组（45个）钻孔，两巷布置8组（16个）钻孔，共计23组 （61个）钻孔，共计压裂228段。 根据现场调研，初次垮落步距为30m。在切眼内每隔 12. 25m布置一组钻孔（7台支架的宽度），共布置15组钻 孔，每组包括三个，分别为孔A、孔B、孔C,呈扇形布置。 因为对于工作面初采初放，对于顶板的断裂点的控制重点 考虑三个位置，一是开切眼的位置，如钻孔A （距离切眼后 方煤壁5. 8m）,二是预计的断裂步距的中间位置，如钻孔B （距离切眼后方煤壁15.5m）,三是预计的初放的断裂点的 前端位置，如钻孔C （距离切眼后方煤壁27m）。 为了避免钻孔A压裂过程中与切眼内已经施工完的放水 孔串孔出水，影响压裂效果，因此确定开孔位置距离切眼 前方煤壁2〜2. 5m。考虑到支架摆放好之后才能进行钻孔施 工，因此，钻孔A在架间竖直向上施工。 钻孔B贴切眼前方煤壁施工，方位角偏离切眼50 , 仰角45 ,长度为15.5m。由于切眼内皮带巷端高于轨道巷 端，因此钻孔布置朝向轨道巷，便于钻孔施工和封隔器的安 装。 钻孔C垂直切眼煤壁向工作面前方施工，仰角为30 , 长度为22m。 在两巷内每隔10m施工一组钻孔，每条巷道布置4组钻 孔，每组钻孔包括两个，分别为钻孔D和钻孔E,呈三花布 置，错距为5m。钻孔D贴副帮施工，钻孔E贴正帮施工，钻孔 D和E均平行于巷道向采空区方向施工，钻孔仰角为45 ,钻 孔长度为13m,每个钻孔压裂3段。 钻孔A、B、C直径均为60mm。钻孔A压裂3段，两段之间 的距离为3.5m；钻孔B压裂4段，两段之间的距离为3.5m；钻 孔C压裂5段，两段之间的间距平均为4.0m,具体见图3,每 段的压裂时间控制在30mino 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。 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118L/mino由于灰岩顶板的强度较 高，f系数接近10,抗拉强度为8-13MP,且最小主应力为 7. 8MPa ,再按照2倍的富余系数考虑，泵需要提供40MPa以上 的压力。 图3工作面初次放顶水力压裂钻孔布置平面图 6.结束语 井工煤矿综采工作面初采期间顶板管理是一个特殊时 期。顶板管理不好会造成采空区悬顶面积较大，容易造成顶 板大面积垮落现象，设备的损坏、以及危及人身安全等恶性 事故。水力压裂强制放顶是一种经济有效的顶板控制技术， 可避免爆破控顶的不足。通过研究提出了适合东曲煤矿综 采工作面水力压裂初次放顶工艺。施工纪录表明，水力压裂 强制放顶技术能够使顶板分层、分次逐步垮落，保证初采安 全。以期解决煤矿综采工作面顶板初次放顶存在的问题。 【作者简介】 侯建英（ 1970-）,男，本科，工程师，山西焦煤集团有限责 任公司东曲煤矿；研究方向煤矿生产管理。