波兰煤矿坚硬顶板定向水力压裂技术.pdf

第 2 7 卷 第2 期 煤炭 科 学 技 术 1 9 9 9 年2 月 ／ ， 兰煤矿 坚硬顶板定向水力 压’裂技 煤炭科学研究总院北京开采研究所 河北省邯郸矿务局 摘要介绍了波兰煤矿坚硬顶扳定向水力压裂技术现场生产_T - 艺、技术原理及技术经济效果；该技术在我 国具 有 良好 的推 广应用前景 。 关量词定向水力压裂坚硬顶 钻孔楔形槽应 一 一 一， 一 了 ， 一 波兰是世界上 较早 开发利 用煤炭 资源 的国家 之一 ，现 在仍 以煤炭为 第一工业 能源。 由于 资源 的限制 及 开采 期较 长 ，现 有多数 煤矿地下 开采 煤层埋 藏 深度大 ，顶板较 厚且 坚硬，地质构造较为复杂，开采条件较为困难。冲击地压、 水灾、瓦斯等是波兰煤矿 目前面临的三大灾害。从技术上 讲，提高采场坚硬顶板管理水平，有救保护原有并长期使 用的主巷道．是 目前波兰煤矿提高井下安全生产水平、降 低煤炭 生产成本 的主要途 径之一。 水力压裂也称 水 压致 裂 。该 技 术 原 主要 应用 于 石 油 、 天然气 开采行业 。波兰煤炭科 学院 冲击地 压与 岩石 力 学研 究 所主要从事顶底 板管理及 冲击地 压 的预测 与防治等 方面 的实用技术研究。该所于 1 9 9 3年开始，对水力压裂技术在 煤矿井下坚硬嘎板条件下的应用进行了研究。至今，该技 术已在波兰大约 1 5个条件适宜的煤矿、金属矿等推广应 用，并得到了国际上煤炭行业技术专家的好评。 1 坚硬顶板水力压蜀墩 术工艺 该工艺所用设备、机具有小 型高压水泵、压力表、 截止阿 、钻杆 、普通岩石 钻头 、开槽钻 头 、封孔 胶 管或 封 孔器 、高压胶管等 。 首先利用钻孔机 具 ．在需压裂 的巷 道 或工作面 坚硬 顶 板上打 耀孔 根据 围岩硬度 以及压裂 范 围，设 计布 置钻孔 的数量 、孔 距 、孔 径 、孔 耀 等 参数 ；孔 径 约 为 4 0～ 1 2 0 r n m．孔深可在 8 ～2 0 m，孔的角度 可根据所 需致裂面角 度 而确定 ，如图 1 所示 。 第二步。将普通岩石钻头更换为专用开槽钻头，在已 钻探孔底部开一个或几个直径 约为孔径一倍 的楔形槽 。 最后 ，将约 1 ． 2 m长的特殊封孔胶管与泵站普通高压 胶管连接，插人已开槽的耀孔底部，注入高压水，水压可 为 1 0 ～6 0 M P a 不等 。待 十几 秒左右 ，顶板 耀处 发 出声响 ， 且距离 由近至远。从监铡孔可观察到 ，开始流 出的水 混浊 ， 槽开裂 ，裂隙范围逐渐扩大 。试验 证明 ，开裂 面积可达 2 0 m 直径范围 。 图 1 水力压裂工 艺 1 一高压裂；}一 截止阁；3 一高压胶昔‘4 ．封孔昔 5 _ - 攥形孔 ；6 观 测孔 ； 皱 2 坚硬顶板定向水力压裂技术原理 从 以上工艺可 以看 出，该技术 的关键 在于 深孔底 部开 了个楔形环槽 ，见 图 2 。 由于 在 耀孔 内圆 表面产 生 了内嵌 楔形槽，其局部几何形状在楔形尖端急剧变化，产生应力 集中 ，应力分 布 和 应 变 分 布 髓 之 明显 变 化 ，尖端 应 力 值 d 和应 变值 e 急剧 增加。 mⅡ K E K￡ 式中 K 一应力集中系数，K。 1 ； K 应变集中系数，K 1 。 当洼水压力升高至某一值时，d 一 、e ～ 满足岩石开裂 条件 ，顶板岩 石便 被压裂 。 报据 井下试 验 ，顶 板水 压致 裂大 致过程 如 图 3所示 ， I点表示在 7 8时 ，P 1 4 ． 3 MP a ，岩层 突然 开始 压裂 ； 压力下 降至 Ⅱ点为 9 ． 0 MP a后 ，又开始 上升 至 Ⅲ点 ，岩层 5 1 维普资讯 第2 7 卷 第 2 期 煤 炭 科 学 技 术 1 9 9 9 年2 月 逐 渐敌扩大致 裂范围 。 星 “1 b 图2 橇形环槽及应力分布 f ／ s 囝3 水力压裂 P一￡曲线 3 定向水力压裂技术的效果 道述故兰煤嶷科学窝几年来的研究与寒践，诙硬技术 已逐渐唐 ，并在受兰十几十矿进行了推广应用．取稚了 较好舶拄术经济鼓益 。 1 工作面坚硬顶 板 的处理 。该项 技术 在坚 硬顶板放 顶 中的应用 ，已成为 J a s M0 3煤矿一项常规技术 。该矿煤 层埋藏深度大约 8 0 0 m，顶板大部分属于厚火成岩，地应 力复杂 ，以前 常有大 面积 冒顶 发生 。应用 了该技 术后 ，对 工作面顶板进行 了人 工放项 或 预处理如 图 4，大 幅度 降低 了顶板事故 有效地保证 了安垒生 产条件 。 t ／ l ／ l 摄 m l l 瑁 4 工作面坚硬顶扳水力压裂工艺 2 区域性释放矿压，哦步地应力，预防冲击地压。 波 兰 w j 日 矿燃屉 开采深度约 7 0 0m，顶板属 2 5m 厚 以上 5 2 的粉 砂岩 ，地应 力复杂 、冲击地 压灾 害严重 。该矿 在未应 用该 技术 之前 ，在平巷测试的地应 力数量 级在 1 0 4 J ，应 用 该工 艺后 如图 5 ，测得 的地 应力数 量级 在 ] o 3 J ，基本 减少 了一个数量级。 固s 巷遭顶板承力压致裂工艺 3 有利于排放瓦斯。 4 有利于煤层切割。 5 定向水力压裂与打深孔放炮比较。① 前者致裂顶 板范围大，半径可达 加 m；后者小。② 前者可定向致裂； 后者 难以控 制。③ 前 者 适 用 范 围广 、安 全 ；后 者适 用性 小 ，安全性较差。④ 前 者成本低 、经济性 好 ；后者成 本较 前者高一倍 上。 4 结束语 在波兰考察期间，随同波兰煤炭科学院及煤矿的科研 人员、现场生产人员对该项技术进行了实地操作和应用。 该项技术在波兰几年 的研究 和实践 中已逐渐 成熟 ，并转 化 为生产力，为适宜条件的煤矿生产刨造了显著的经济效益 和社会效益。 我国煤炭赋存条件复杂，埋藏深度丈、顶板坚硬且来 压强度大的条件占有较大比倒。目前在此条件下开采，虽 然采取 了一定技术 措施 ．如打深 孔炮等 ，但 效果 不佳 ，安 全生产及经济效益的提高，受到一定的限制。谚技术的研 究为我们解决此方面的 问题 ，提供 了一个值得借鉴的经 验。 经过我国科研人员 、现 场生产 人员的努 力 ，结 合我们 自己 的特点 ，该项技术在我 国煤炭 行业将更 加完善 ，刨造 出更 显著的经济效益和社会效益。 作者筒秆孙寺山1 q 6 d 年生．高级工程师；现工作于煤炭 二等奖 1 项，煤 炭部科技进步一、三等奖 3 项 ，专利 4 项．发表论文多篇。地址 北} ； { 市和平里， 邮码1 0 0 0 1 3 。 救稿 日 期1 9 9 8 0 9 1 8 ；责任箱辑曾 康生 维普资讯