定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板试验.pdf

第 3 1 卷第 6期 2 0 1 2年 6月 岩石力学与工程学报 C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g V_0 1 - 31 NO． 6 J uH e， 201 2 定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板试验 冯彦军 b 2 1 ． 天地科技股份有限公司 开采设计事业部 ，北京1 0 0 0 1 3 ； 康红普 2 ．煤炭科学研究总院 开采设计研究分院，北京1 0 0 0 1 3 摘要针对煤矿坚硬难垮顶板控制的研究现状及存在的问题，进行定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板井下试验。 通过在压裂孔两侧布置监测孔和在压裂过程中实时监测泵压变化，深入分析煤矿坚硬难垮顶板水力压裂特点。试 验结果表明f 1 1 I Z 5 4型切槽钻头能够在坚硬岩层中预制横向切槽， 可有效降低裂缝破裂所需压力； 2 采用跨式 膨胀型封隔器可对岩层坚硬段分段逐次压裂，压裂过程中可在顶板中产生多条裂缝，从而有效弱化顶板； 3 随着 压裂处与孔口距离的增大，裂缝破裂和扩展所需的压力也相应增大，裂缝的扩展半径最大可达 2 0 m； 4 在压裂 过程中，由于岩层均匀性、渗透性、地应力场、岩层结构面等影响因素的变化，压力 一时间曲线呈现出多种形态； 5 岩石抗拉强度与地应力值较 为接近时 ，岩石强度对水力压裂有较 大影响。 关键词采矿工程；坚硬难垮顶板；定向水力压裂；裂缝扩展；井下试验 中圈分类号T D 3 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 06 9 1 5 2 0 1 2 0 61 1 4 8 0 8 TEST oN HARD AND S TABLE RooF CoNTRoL BY M EANS oF DI RECTI oNAL HYDRAULI C F RACTURI NG I N CoAL M I NE F E NGV a n j u n ～， KA NG Ho n g p u ， f 1 ． Mi n i n ga n dDe s i g n i n gDe pa r t me n t ，T i a n d i S c i e n c e a n dT e c h n o l o g yCo ． ，Lt d ． ，B e ij i n g 1 0 0 01 3 ，Ch i n a．, 2 ． C o a l Mi n i n ga n dDe s i g nBr a n c h，Ch i n a Co a l Re s e a r c hI n s t i t u t e ，B e ij i n g 1 0 0 0 1 3 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f t h e r e s e a r c h s i t u a t i o n a n d e x i s t i n g p r o b l e ms i n v o l v e d wi t h t h e h a r d a n d s t a b l e r o o f c o n t r o l i n c o a l mi n e ， t h e t e s t 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 e mp l o y e d f o r the r o o f c o n t r o l i s p r e s e n t e d the c h a r a c t e r i s t i c s o f h y dra u l i c f r a c t u r i n g i n t h e r o o f a r e o b t a i n e d v i a t h e mo n i t o r i n g b o r e h o l e s d e c o r a t e d o n b o t h s i d e s o f t h e fr a c t u r i n g b o r e h o l e a n d t h e p r e s s u r e r e c o r d d uri n g h y d r a u l i c fr a c t u ri n g ． T h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t 1 T h e t r a ns v e r s e n o t c h i s i nt r od u c e d s uc c e s s f ul l y i n t h e r o o f b y me a n s of KZ5 4 d r i l l a n d i s c a pa bl e of r e d uc i ng t h e p r e s s u r e r e q u i r e d f o r c r a c k b r e a k d o w n d u r i n g the d i r e c t i o n a l d r a u l i c f r a c t u r i n g ． 2 T h e i n fl a t a b l e s t r a d d l e p a c k e r a d o p t e d for h o l e s e a l i n g e n s ure s t h e s t e p wi s e fra c t u r i n g i n t h e h a r d s t r a t a ， t h e s t e p wi s e fr a c t u r i n g c a n c r e a t e mu l t i p l e c r a c k s i n t h e r o o f ， wh i c h u l t i ma t e l y w e a k e n s t h e h a r d s t r a t a ． 3 T h e b r e a k d o w n p r e s s ure a n d p r o p a g a t i o n p r e s s ur e c h a n ge i n pr o po r t i o n t o t h e de p t h o f fra c t ur i n g l oc a t i o nt he c r a c k c a n p r o p a g a t e t o a l a r g e s c o p e r a d i u s o f 2 0 m a p p r o x i ma t e l y ． 4 T h e p r e s s u r e v e r s u s t i me c u r v e i s r e c o r d e d a n d p r e s e n t s a v a r i e t y o f for ms p o t e n t i a l l y r e l a t e d t o t h e r o c k u n i f o r mi ty，p e rm e a b i l i ty， g e o s t r e s s fi e l d a n d r o c k s t r u c t ure s urf a c e ． 5 T h e r o c k s t r e n g t h i s t h e ma i n f a c t o r t ha t c o nt r ol s t h e fra c t u r i n g p r o c e s s whe n t h e va l u e s o f g e o s t r e s s a n d r o c k t e n s i l e s t r e n g t h a r e ne a r l y i d e n t i c a 1 ． Ke y wo r d s mi n i n g e n g i n e e r i n gh ard a n d s t a b l e r o o f d i r e c t i o n a l h y dra u l i c fra c t u r i n gc r a c k p r o p a g a t i o n； un d e r g r o u nd t e s t 收藕 日期l 2 0 1 11 1 2 5 ；修回日期l 2 0 1 20 42 6 基金项目l国家高技术研究发展计划{ 8 6 3 项 目 2 0 0 8 A A0 6 2 1 0 2 作者简介l冯彦军 1 9 8 0一 ，男，2 0 0 5年毕业于太原理工大学采矿工程专业，现为博士研究生，主要从事煤矿顶板岩层控制方面的研究工作。E ma i l c r i s t ia r n o 1 6 3 ． t o m 第 3 1 卷第 6期 冯彦军等定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮项板试验 l 1 4 9 1 引 言 在煤矿开采 中，坚硬难垮顶板是指赋存在煤层 上方或薄层直接顶上面厚而稳定、坚硬 的砂岩、砾 岩或石灰岩等岩层 ， 具有强度高、节理裂隙不发育、 厚度大、整体性强、 白承能力强等特点。煤层开采 后，坚硬难垮顶板大面积悬露在采空区而不垮落 ， 一 旦垮落，一次垮落的面积大，有强烈的周期性来 压，且来压时有明显的动力现象，造成支护设备损 坏，甚至 出现危及人身安全的恶性事故【 l _ 2 】 。 我国煤层赋存条件复杂，属于坚硬难垮顶板的 煤层约 占 1 ／ 3 ，且分布在 5 0 ％以上 的矿区，如大同、 鹤岗、枣庄、通化、神府、乌鲁木齐、晋城、潞安、 兖州等；随着综合机械化采煤技术的普及，有超过 4 0 ％的综采工作面顶板属于来压强烈的坚硬难垮顶 板 ，特别是有薄层直接顶的坚硬项板工作面分布更 广[ 引。 针对坚硬难垮顶板，我国从 2 0世纪 5 O年代起 开始研究其控制，不仅在生产实践中积累了一定的 经验，而且在理论研究上也处于国际先进行列 。最 为典型的是在大同矿 区进行的 “ 坚硬顶板条件下综 合机械化开采 ”科技攻关项 目，深入研 究了强制爆 破放顶与注水弱化 2种坚硬顶板处理工艺，分别形 成 了步距式深孔放顶 、循环浅孔放顶、端头强制切 顶 、超前深孔预爆破松动顶板 、高压预注水和水力 压裂的技术和工艺【 训 。随后，王金安等【 5 - 7 】 针对坚硬 难垮顶板展开了大量理论与试验研究，有力推动了 我 国坚硬难垮顶板控制理论与技术的发展。 目前我 国坚硬难垮顶板的控制基本是 以爆破 为 主，注水软化为辅的方法 ，然而该方法存在以下不 足 [ _ ] 1 工程量和炸药量大、成本高、污染井下空 气； 2 在 高瓦斯矿 井或 煤层 中应用爆 破法 控顶 时，需采取防止瓦斯或煤尘爆炸的措施； 3 对于浅埋深情形，爆破控顶 易对地面及周 边环境的安全构成一定威胁 。如晋城王台铺煤矿 ， 采用超前深孔预裂爆破弱化工作面坚硬难垮 顶板 时，爆破产生的震动对地面村庄产生明显影响，使 该矿无法正常生产，同时也造成了不 良的社会影响。 水力压裂 白提 出以来，已应用于石油和天然气 工业 、水利水 电工程 、地热资源开发、核废料储存、 地应力测量等领域，显示 出广泛的工业应用价值。 K． Ma t s u i 等L 8 J 进行了定向水力压裂弱化坚硬顶板的 研究，并与爆破方法进行了比较 ，认为运用定向水 力压裂控顶的效果比较突出。 定向水力压裂作为经济有效 的煤矿坚硬难垮顶 板控制技术，已在 国外推广应用 ，可弥补爆破控顶 等技术的不足，实践证 明是成功有效的【 4 J 。国内已 经展开了定 向水力压裂的相关研究 闫少宏等I 9 】 论 述 了水力压裂机制，认为在人工切槽处注入高压水， 可定 向将坚硬老顶分层 ，从而降低顶板来压强度 ， 并通过试验验证了研究成果；邓广哲等【 ] 针对坚硬 煤体预裂存在的问题 ，进行 了煤岩水压裂缝扩展行 为特性研究，建立 了最大破坏压力与煤样裂缝扩展 变化过程的对应关系；黄炳香等u l j 认为，煤岩体水 力压裂是通过水压使主裂缝扩展、翼型分支裂缝扩 展和吸水湿润作用，达到煤岩体结构改造、强度弱 化等工程需要，可应用于坚硬顶板控制、坚硬顶煤 弱化、局部集 中应力解除等方面 ；黄炳香【 l 2 J 结合水 力割缝和水力压裂的优势，提 出在钻孔轴向或径 向 预割出给定方向的裂缝，然后对预割裂缝进行水力 压裂的定向压裂技术。 可 以看出，运用水力压裂弱化煤岩体的理论与 试验研究已经比较深入。然而 ，在定向水力压裂控 制煤矿坚硬难垮顶板的应用方面，尚无成熟的技术 工艺及完善的成套设备。 基于以上背景，本文选择具有典型坚硬难垮顶 板的晋煤集团王台铺煤矿进行定向水力压裂控顶试 验。实时监测了水力压裂过程，通过压裂过程 中压 力及监测孔的变化 ，分析 了坚硬难垮顶板的水力压 裂特点，以期为水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板提 供依据。 2 井下试验 2 ． 1 试验地点与钻孔布置 试验地 点选择晋煤集团王台铺煤矿 2 3 0 7工作 面，该工作面无直接顶，其老顶属于典型的强度高、 整体性强、 自稳能力强的石灰岩顶板，顶板岩石的 力学参数见表 1 。其中 ， ， ， 分别为 岩石的单轴抗压强度 、单轴抗拉强度、弹性模量、 泊松 比和断裂韧度。 1 1 5 0 岩石力学与工程学报 2 0 1 2年 表 1 顶板岩石力学参数 T a b l e 1 M e c h a n i c a l p a r a me t e r s o f r o c k i n t h e r o o f 地应力场是控制水力压裂裂纹扩展方向的主要 因素 ，2 3 0 7工作面地应 力场参数见表 2 。其 中 H， ， c r H， ， 分别为岩层埋深 、垂直主应力、 最大水平主应力、最小水平主应力和最大水平主应 力方 向。应力符号采用压应力为正，拉应力为负。 表 2 地应力场参数 T a b l e 2 Ge o s t r e s s fie l d p a r a me t e r s 2 3 0 7工作面在回采过程中， 项板的初次来压步 距和周期来压步距分别约为 3 5和 2 6 m，来压时对 支架有冲击 ，矿压显现十分明显 。 根据 2 3 0 7工作面项板岩层的特点，在工作面运 输顺槽与轨道顺槽布置定向水力压裂钻孔，并在压 裂钻孔两侧布置监测钻孔 ，用于监测定向水力压裂 裂隙扩展范围。钻孔倾角、长度以及与巷道 中心线 的夹角由坚硬难垮顶板的厚度 约为 l 0 m 、地应力 的大小及方向确定 。钻孔布置见图 1 。 a 1横断面 b I I 剖面 图 I 钻孔布置示意图 Fi g． 1 S ke t c h of b or e h ol e s l a yo ut 工 作 面 推 进 方 向 2 ． 2 试验机具与设备 1 预制横 向切槽钻头 根据坚硬顶板岩层特性，开发研制 了 K Z 5 4型 切槽钻头，在岩层坚硬段预制横向切槽 ，钻头结构 如图 2所示。 1 一钻头顶尖；2 ～钻头顶尖座；3 一弹性圆柱销；4 一切刀组；5 一轴用 弹性挡圈6 一销轴；7 一外套；8 一主轴；9 一平键 ；1 O 一弹簧座1 1 一 压缩弹簧 图2 K Z 5 4型切槽钻头结构 F i g ． 2 S t r u c t u r e o f KZ5 4 d r i l l u s e d f o r t r a n s v e r s e n o t c h KZ 5 4型切槽钻头外径为 5 4 mm，钻孔直径为 5 8 mm，小于传统水力压裂及深孔预裂爆破钻孔直 径 王台铺煤矿深孔爆破钻孔直径为 8 9 mm ，从而 提升了在坚硬岩层中钻孔 的速度 。采用 K Z 5 4型切 槽钻头预制的横向切槽形状如 图 3所示。 图3 横向切槽形状示意图 F i g ． 3 S h a p e o f a r t i fi c i a l t r an s v e r s e n o t c h 2 跨式膨胀型封隔器 跨式膨胀型封隔器最初使用于石油工业的水力 压裂作业 ，现 已广泛应用于水利、岩土、矿 山等领 域[ 1 3 - 1 5 1 。 跨式膨胀型封 隔器 的特点是能够保持较高的压 力 ，并且能够选择钻孔 目的段 如岩层坚硬段 进行 封孔，可实现在同一钻孔中进行分段逐次压裂 ，从 而达到弱化项板岩层的目的。 因此，根据井下试验条件及试验要求，采用膨 胀介质为水 、由纤维加强的橡胶材料为弹性膜 的跨 式膨胀型封隔器进行压裂段封T L 见图 4 1 。 3 注水压裂 合理选取高压注水泵的压力和流量能够保证裂 缝的产生及有效扩展 ，根据弹性理论，裂缝产生所 第 3 1 卷第 6期 冯彦军等定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮项板试验 l 1 5 5 d 顶板锚杆孔有压裂水流出 图 1 1 定 向水力压裂效果 Fi g ． 1 1 E f f e c t o f 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 将监测孔与压裂孔的距离设置为 2 5 m 时进行 压裂，监测孔很少有压裂水流出，并且水量较小。 总结 以上压裂效果得出，压裂段距离孔 口小于 1 8 m时，压裂裂缝的扩展半径约为 1 5 m；压裂段与 孔口距离大于 1 8 m 时，裂缝扩展半径可达 2 0 m；采 用分段逐次压裂可有效弱化顶板岩层。 4 结论 1 试验采用 的 I 5 Z 5 4 型切槽钻头能够在单轴 抗压强度约为 1 2 0 MP a的坚硬难垮顶板中预制出横 向切槽 ，压裂时，该切槽可有效降低裂缝破裂所需 压力；采用跨式膨胀型封隔器可对岩层坚硬段进行 分段逐次压裂。 2 在压裂过程中，由于受岩层均匀性、渗透 性、地应力场、岩层结构面等因素的影响，压力曲 线呈现出多种形态 。 3 对钻孔进行分段逐次压裂 时，随着压裂段 与孔 口距离的增大 ，裂缝起裂和扩展所需的压力也 相应增大，采用分段逐次压裂可有效弱化顶板岩层 。 4 针对王台铺煤矿 1 5 煤层顶板岩层，定向水 力压裂可使裂缝在顶板 中扩展一定范 围，裂缝 的扩 展半径至少为 1 5 1T I ，最大可达 2 0 m。 5 岩石抗拉强度与地应力值较为接近时 ，岩 石强度会对水力压裂产生较大影响。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 2 ] [ 3 ] 陈炎光，钱鸣高．中国煤矿采场围岩控制[ M] ． 徐州中国矿业大 学出版社 ， 1 9 9 4 1 3 71 4 3 ． C H E N Y ang u ang ， Q I AN Mi n g g a o ． S t r a t a c o n t r o l a r o u n d c o a l f a c e i n C h i n a [ M1 ． X u z h o u C h i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y P r e s s ，1 9 9 4 1 3 71 4 3 ． i n Ch i n e s e DUZGUN H S B． An a l y s i s o fr o o f f a l l h a z a r d s an d r i s k a s s e s s me n t f o r Z o n g u l d a k c o a l b a s i n und e r g r o u n d mi n e s [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f C o a l Ge o l o g y，2 0 0 5，6 4 1 ／ 2 1 0 41 l 5 ． 靳钟铭，徐林生． 煤矿坚硬顶板控S tJ [ M] ．北京煤炭工业 出版社， 1 9 9 4 8 0 1 3 9 ． J I NZ h o n g m i n g ， X UL i n s h eng ． Ha r d roo f ma n a g e me n t i n c o a l mi n e [ M] ． B e ij i n g C h i n a C o a l I n d u s t r y P u b l i s h i n g Ho u s e ，1 9 9 4 8 01 3 9 ． i n C h i n e s e [ 4 】 史元伟， 宁宇， 魏景云．采煤工作面围岩控制原理和技术 下 【 M】 ． 徐州中国矿业大学出版社， 2 0 0 3 2 91 1 0 ． S HI Y u a n we i ， N1 NG Yu ， W E I J i n g y un ． Co a l f a c e s u r r o u n d i n g r o c k c o n tr o l p r i n c i p l e a n d t e c h n o l o g y v o l u me I I 【 M】 ． X u z h o u C h i n a Un i v e r s i t y o f Min i n g a n d T e c hno l o g yP r e s s ，2 0 0 3 2 9 1 1 0 ． inC h i n e s e 【 5 ] 王金安，李大钟，尚新春．采空区坚硬顶板流变破断力学分析[ J ] ． 北京科技大学学报 ，2 0 1 l ，3 3 2 1 4 21 4 8 ． WA NG J i n a ll ，L I Da z h o n g， S H ANG Xi n c h un ． Me c h a n i c s an a l y s i s o f c r e e p f r a c t u r e o f s t r o n g r o o f s tr a ta a b o v e mi n e d - 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