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_许建平.pdf

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 许建平 （霍州煤电集团有限责任公司生产技术部 ，山西 霍州 031400 ） 摘要 针对干河矿 2- 209 工作面两顺槽在回采动压影响下围岩变形严重问题，在 2- 209 工作面副 巷 （2- 2092 巷 ） 进行水力压裂切顶卸压试验， 并对施工参数进行了优化改进。 工业性试验结果表明， 通 过卸压孔注高压水， 使得老顶岩层预裂产生裂隙， 减轻回采时超前支承压力的影响， 巷道底鼓量、 顶板 下沉量和两帮移近量大幅降低， 实现了工作面安全高效回采。 关键词 动压影响 ； 围岩变形 ； 水力压裂 ； 切顶卸压 中图分类号 TD327.2文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2019 ） 03- 0033- 04 Practice of advanced hydraulic fracturing cutting top unloading technology in 2-209 working face of Ganhe Coal Mine XU Jianping （production TechnologyDepartment ofHuozhou Coal Power Group Co., Ltd. ， Shanxi Huozhou 031400 ） Abstract Aimingat the serious problem ofsurroundingrock deation under the influence ofrecovery dynamic pressure in 2- 209 working face ofDryRiver mine, in 2- 209 working face sub- lane 2- 2092 LaneThe hydraulic fracturing cutting top unloading test is carried out, and the construction parameters are optimized and improved. The results of industrial test show that the pressure of the old top rock layer is reduced by the injection hole, which reduces the influence of the pre- crack in the recovery, the amount of the roadway bottom drum, the amount ofroofsinkingand the two- shift amount are greatlydecreased, and the safe and efficient recoveryofthe workingface is realized. Key words Dynamic pressure impact ； surroundingrock deation ； hydraulic fracturing； cuttingtop discharge pressure 0引言 霍州煤电集团下属干河、 辛置、 李雅庄等矿井 上组煤 2 煤埋藏深， 且受断层等构造的影响， 深部 高地应力作用下回采面两巷顺槽巷道两帮回缩、 底 鼓严重， 尤其是回采期间受动压影响， 都不同程度 存在临近采空区巷道在本工作面回采时超前影响 段变形大、 超前维护量大的问题， 个别回采面甚至 不得不提前结束回采。 为探索该类巷道的治理办法，在干河矿 2- 209 工作面副巷超前进行水力压裂切顶卸压试验， 验证 水力压裂切顶卸压效果和适用性， 为受动压影响的 辛置、 李雅庄等煤矿巷道治理提供借鉴经验， 并为 下步采用定向水力压裂切顶卸压在留巷中的技术 应用提供技术支撑与保障。 1工作面概况 干河矿 2- 209 工作面位于 80 水平二采区右 翼， 工作面北东端为井田边界， 南西端为二采区回 风巷， 北西侧均为实体煤， 南东侧为 2- 100 工作面 采空区。工作面煤层为 1、 2 煤合并成， 煤层平均 厚度 3.9m， 平均倾角 5， 埋深 485～540m， 采用长 壁式采煤方法， 综合机械化采煤工艺， 全部垮落法 管理顶板。 工作面长 183m， 顺槽长度 2160m， 可采走 向长度 914m，试验巷道长度 220m（停采线往里 215m ） ， 工作面布置如图 1 所示。 图 12- 209 工作面布置示意图 2水力压裂卸压技术原理及工艺 2.1技术原理 水力压裂技术是指在钻孔压裂段预制裂缝， 从 而控制水力压裂裂纹扩展方向的技术。通过水力压 裂， 削弱岩层的整体性和稳定性， 并定向切割顶板 岩层，通过人为的方法削弱煤岩体承载的高应力， 使巷道或工作面处于低应力区域， 使采空区顶板能 够分层分次充分垮落。 2.2施工工艺 2.2.1钻孔布置 布置 2 种钻孔， 分别为钻孔 S 和钻孔 S′； 钻孔 施工采用 ZDY1200S 钻机及配套钻机平台，钻头直 径为 56mm， 钻杆直径 42mm。 （压裂钻孔布置剖面如 煤矿现代化2019 年第 3 期总第 150 期 33 ChaoXing 图 2 所示） 。 1） 压裂钻孔 S， 距离巷道左帮煤壁帮 ） 1.5- 2.5m， 钻孔长度 40.5m， 孔间距为 10m， 水平方向与巷道走 向夹角 90， 仰角为 50； 2） 压裂钻孔 S′，距离巷道右帮 （煤柱帮） 1.0～2.5m， 钻孔长度 40.5m， 孔间距为 10m， 水平方 向与巷道走向夹角 5～10， 仰角为 50。 图 22- 2092 巷压裂钻孔布置剖面图 2.2.2钻孔压裂 顶板水力压裂包括封孔、 高压水压裂、 保压注水三 项主要工序， 该压裂系统主要由以下几部分组成 静压 水进水管路、 高压水泵、 水泵压力表、 蓄存压裂介质水 和油的储能器、 手动泵、 手动泵压力表、 快速连接的高 压供水胶管、 封孔器。水力压裂示意图如图 3 所示。 1- 静压水进水管路； 2- 高压水泵； 3- 水泵压力表； 4- 流量计； 5- 手动泵； 6- 快速连接的高压供水胶管； 7- 手动泵压力表； 8- 水压仪； 9- 接头； 10- 注水钢管； 11- 快速连接的高压供水胶 管； 12- 蓄存压裂介质水和油的储能器； 13- 封孔器； 14- 压裂 钢管 （管壁打孔 ） ； 15- 预裂缝 （必要时 ） ； 16- 下封孔器注水管； 17- 水力压裂钻孔 图 3水力压裂示意图 采用后退式单孔多次压裂， 每隔 2m （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。 若 顶板出现异响和大面积出水， 及时停止压裂。 钻孔水力压裂流程水力压裂流程接封孔 器→接注水管→接通高压水泵→封孔器加压→开 高压泵，注水压裂→压裂 30 分钟或相邻孔出水后 停泵→封孔器泄压→交替压裂其他孔或退下 2m 开 始第二段压裂→开启循环压裂过程直至退至 13m。 3工业性试验及矿压观测 3.1现场施工情况 试验巷道 215m， 共计施工钻孔 45 个、 压裂钻孔 42 个， 平均每天施工钻孔 4 个， 压裂钻孔 3.4 个。施 工压裂钻孔 45 个， 有 38 个压裂效果较好 （压裂时 邻近钻孔出水量较大） ，有 4 个钻孔压裂效果较差 （压裂时邻近钻孔出水量较小） 分别是 S3、 S5、 S6、 S 10 孔 （后期已在 S4- S8 之间补孔） ， 有 3 个钻孔中下 部堵塞无法穿管压裂 （S8、 S4、 S13 孔） 。水力压裂 压力 30 至 10MPa,平均 20MPa， 其中靠钻孔上部水 力压裂压力较大。 项目试验施工前期， 在压裂过程中发现， S′孔 （前期设计间距 8m ） 压裂效果较好， S 孔 （前期设计 间距 16m ） 压裂时邻近孔出水较少 （S3、 S5 孔） ， 压裂 效果相对较差。 采取措施 根据施工情况， 为保证压裂效果， 从 S8 孔往外 （100m 范围） ， S 孔和 S′孔间距都调整为 10m， 即每隔 10m 施工一个 S 孔和一个 S′孔； 同时 对于靠工作面煤壁一侧施工的 S 孔 （压裂效果较 差） 进行补孔， 根据现场实际情况在 S4- S8 孔之间 补打 4 个钻孔。施工距离从 200m 变更为 215m， 钻 孔数由 38 个变更为 45 个， 其中 S 钻孔 21 个， S钻 孔 24 个。 3.2矿压观测 从施工钻孔位置开始往外每 20m 施工布置一 组巷道位移监测站，共布置 14 组 （1188m～1445m ） 。 自 2017 年 10 月 3 日所有钻孔压裂完毕， 从 10 月 4 日开始实施监测， 监测巷道位移变化量及老山垮落 等情况。通过对比非压裂卸压段的 ABC3 个测站和 压裂卸压段的 1- 10 测站的底鼓量、 顶板下沉量和 两帮移近量来分析压裂卸压的效果。 3.2.1底鼓量分析 图 4 （a ） 为非压裂段内 ABC 三个测站的底鼓量 变化曲线， 从图中可见， 超前回采面 150m 即发生底 鼓现象， 从超前 100m 明显增加， 超前 50m 底鼓急剧 增加， 三个测站最终底鼓量分别为 0.52m、 0.68m 和 0.72m。 图 4 （b） 为压裂卸压段内 1- 10 测站的底鼓量 变化曲线，同样个别测站超前 150m 既出现底鼓现 象，但底鼓变形在超前 150m 到超前 50m 范围内变 化不大， 2- 7 测站直至超前回采面 15～20m 才急剧 增加。最终底鼓量较非压裂卸压段有大幅降低， 在 0.17～0.32m 之间。 除此外， 在未压裂段， 副巷超前 150m 前段时常 煤矿现代化2019 年第 3 期总第 150 期 34 ChaoXing 出现底鼓严重现象 （路面硬化层从巷中隆起， 隆起 高度在 300mm 左右） ，不破除硬化层无法进行超前 单体柱支护和设备列车移设； 进入压裂段， 工作面进 入 S1 孔开始 （开始切顶位置） ， 副巷超前 150m 前后 段再未出现底鼓严重现象， 均是缓慢底鼓， 基本不再 需要起底， 不影响单体柱支护和设备列车的移设。 （a） 测站 A、 B 和 C（b） 测站 1- 10 图 4非压裂段和压裂段底鼓量变化曲线 3.2.2顶板下沉量分析 图 5 （a ） 为非压裂段内 ABC 三个测站的顶板下 沉量变化曲线， 从图中可见， 超前回采面 150m 即有 顶板下沉现象， 从超前 100m 开始明显增加， 三个测 站最终下沉量分别为 0.43m、 0.42m 和 0.26m。 图 5 （b） 为压裂卸压段内 1- 10 测站的顶板下 沉量变化曲线，同样个别测站超前 150m 既出现顶 板下沉现象，但在超前 150m 到超前 50m 范围内变 化不大， 2- 10 测站直至超前回采面 15～20m 才急 剧增加。最终顶板下沉量较非压裂卸压段有大幅降 低， 在 0.085～0.25m 之间。 （a） 测站 A、 B 和 C（b） 测站 1- 10 图 5非压裂段和压裂段顶板下沉量变化曲线 3.2.3两帮移近量分析 图 6 （a ） 为非压裂段内 ABC 三个测站的两帮移 近量变化曲线， 从图中可见， 超前回采面 200m 即有 两帮移近现象， 从超前 100m 明显增加， 三个测站最 终两帮移近量分别为 1.16m、 1.16m 和 1.03m。 图 6 （b） 为压裂卸压段内 1- 10 测站的两帮移 近量变化曲线，同样个别测站超前 200m 既出现两 帮移近现象，但在超前 150m 到超前 50m 范围内变 化不大， 直至超前回采面 50m 才急剧增加。最终移 近量较非压裂卸压段有大幅降低，在 0.465～0.87m 之间。 （a） 测站 A、 B 和 C（b） 测站 1- 10 图 6非压裂段和压裂段两帮移近量变化曲线 通过非压裂卸压段和压裂卸压段变形量监测 对比分析， 可得出以下结论 1） 水力压裂超前卸压效果非常显著， 通过卸压 孔注高压水， 使得老顶岩层预裂产生裂隙， 减轻回 采时超前支承压力的影响， 巷道底鼓量、 顶板下沉 量和两帮移近量大幅降低。 2） 1- 10 测站超前 150m 即有变形主要为发生 变形时回采面处于非压裂段， 超前支承压力传递较 远所致。 3） 压裂段巷道变形量变化规律较非压裂段有 明显减缓。 4施工效果总结 1） 水力压裂超前卸压效果非常显著， 通过卸压 孔注高压水， 使得老顶岩层预裂产生裂隙， 减轻回 采时超前支承压力的影响， 巷道底鼓量、 顶板下沉 量和两帮移近量大幅降低。 2） 2- 209 回采面自推至进入压裂段后，工作面 上隅角能及时充分垮落，超前段内底鼓控制在 200mm 左右，不再需要专门起底，两帮移近量在 0.6- 0.7m， 不需要安排专门队伍从事起底刷帮， 工作 面可以正常推进，极大的降低了职工劳动强度， 提 高了回采效率。 3） 在未实施水力压裂前， 副巷超前 150m 前后 段时常出现底鼓严重现象 （路面硬化层从巷中隆 起， 隆起高度在 300mm 左右） ， 不破除硬化层无法进 行超前单体柱支护和设备列车移设；进入压裂段， 工作面进入 S1 孔开始 （开始切顶位置） ， 副巷超前 150m 前后段再未出现底鼓严重现象，均是缓慢底 鼓， 基本不再需要起底， 不影响单体柱支护和设备 列车的移设。 4） 彻底解决了动压影响巷道的问题， 尤其是临 空动压影响， 减少了支护投入、 降低了职工劳动强 度、 确保了工作面正常回采。 煤矿现代化2019 年第 3 期总第 150 期 35 ChaoXing 参考文献 [1] 贾奇锋,倪小明,赵永超,曹运兴.不同煤体结构煤的水力 压裂裂缝延伸规律[J/OL].煤田地质与勘探1- 7. [2] 李飞飞.水力压裂切顶技术对巷道顶板影响研究[J].同煤 科技,2018 （05） 5- 7. [3] 田清. 水压致裂技术在坚硬顶板工作面初采中的应用[J]. 煤,2018,27 （10） 26- 2741. [4] 姜婷婷,张建华,黄刚.煤岩水力压裂裂缝扩展形态试验研 究[J].岩土力学,2018,39 （10） 3677- 3684. [5] 王永洁. 坚硬顶板房柱采空区下切眼内水压致裂强制放 顶技术研究[J].煤矿开采,2018,23 （04） 85- 88. 作者简介 许建平 （1975-） ， 男， 山西洪洞人， 大学本科， 采煤工程 师， 主要采煤生产技术管理工作。 （收稿日期 2018- 11- 7） 煤矿现代化2019 年第 3 期总第 150 期 0引言 在屯兰矿 12505 工作面停采时， 在超前于工作面 的前方进行切顶卸压工作， 沿顶板向工作面前上方断 顶切缝，保护南五采区集中巷及变电所。屯兰矿 12505 工作面前方的南五采区集中大巷， 受 12505 工 作面回采动压影响预计巷道变形较大，如图 1 所示。 在工作面的末采收尾后， 在 A 区、 B 区、 C 区进行深孔 爆破预裂、 断顶卸压工作， 以实现保护该工作面前方 的南五采区大巷、 避免其大范围发生底鼓、 帮鼓、 喷浆 掉皮等变形量过大现象。此外， 可使工作面多回采煤 炭资源， 如果工作面停采线能够向前挪移 20m， 按工 作面斜长 205m、 煤层厚度 4m 计算， 则可以多回采煤 炭 2054201.52.46 万 t， 按每吨价格 400 元计 算， 则可以多创收 1000 万元。 可见该课题的研究意义 重大、 经济效益十分可观。 1屯兰矿地质水文概况分析 1.1煤层概况 该工作面 2、 3 号煤层厚度稳定，合并开采， 2 号 煤厚 2.60～3.20m， 平均约 2.96m； 2 号煤与 3 号煤之间 夹一层砂质泥岩， 厚 0.50～0.87m， 平均约 0.69m； 3 号 切顶卸压护巷技术在屯兰矿的应用 赵永青 （山西焦煤集团有限责任公司屯兰矿 ， 山西 古交 030206 ） 摘要 切顶卸压护巷技术在屯兰矿进行应用是极为关键的， 为了改善巷道所处的应力环境， 使巷道 处于卸载区。根据 12505 工作面实际条件， 需要在 12505 工作面停采线附近进行深孔爆破切顶卸压， 本文通过对于屯兰矿煤层、 地质、 水文、 防治水措施、 钻探概况进行分析， 从断顶孔位置的确定、 爆破参 数、 工期安排、 爆破材料确定等方面进行现场方案的制定， 使其能够符合于施工的实际情况， 为其进一 步发展与更新打下坚实的基础。 关键词 切顶卸压护巷技术 ; 屯兰矿 ; 应用 中图分类号 TD263文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2019 ） 03- 0036- 03 Application of cutting and pressure relief technique in tun Lan mine ZHAO Yongqing （Shanxi CokingCoal Group CO.,LTD. Tun LANCoal Mine ， Gujiao 030206， China ） Abstract The application ofroofcuttingand pressure relieftechnologyin tun Lan mine is verycritical. In order toimprove the stress environ- ment ofthe roadway, the roadway is in the unloadingarea. Accordingtothe actual conditions of the 12505 working face, it is necessary tocarry out the deep hole blasting cutting and pressure unloading near the 12505 working face stopping line. Through the analysis of the coal seam, geology, hydrology, water prevention and control measures and the general situation of the drilling, this paper carries out the determination of the position of the broken roof, the blasting parameters, the arrangement of the working period, the determination of the blasting materials and so on. The ulation of the site plan enables it to con to the actual situation of construction and lay a solid foundation for its further development and renewal. Key words roofcuttingand pressure relieftechnology; Tun Lan mine ; application 36 ChaoXing