坚硬难垮顶板定向水力压裂初次放顶技术研究_曹国选.pdf

煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 0引言 综采工作面存在的坚硬顶板难以垮落问题长期 困扰着煤矿井下工作面的安全开采[1]。随着回采工作 面地不断推进， 坚硬顶板将在前方采空区形成大面积 的悬顶， 如果突然垮落将会造成人员伤亡及设备损 坏[2-5]， 尤其对于孙家岔龙华矿更加明显。目前， 大多 数矿井利用深孔预裂爆破技术提前处理综采工作面 的坚硬顶板， 效果显著。 但是， 考虑到此技术在井下实 施存在安全问题， 因此， 通过水力压裂技术解决坚硬 顶板垮落问题已在国内外广泛推广应用[6]。经过现场 试验实践证明 水力压裂能有效地弱化坚硬顶板的强 度并破坏其完整性， 使采空区顶板逐渐垮落， 达到减 小或消除坚硬顶板对工作面回采危害的目的， 在生产 实践中显示出良好的技术经济和社会效益[7-10]。 基于上述背景， 本文针对孙家岔龙华矿 30203 工 作面存在的坚硬顶板难以垮落的问题， 现场实施定向 水力压裂初次放顶技术试验研究， 以期得到工作面初 次放顶管理方法，提升矿井工作面顶板管理水平， 并 为相似矿井治理坚硬顶板难以垮落的问题提供一定 的参考价值。 1工程背景 陕西孙家岔龙华煤矿 30203 工作面所采煤层为 延安组第三段 3- 1 煤层， 该工作面两顺槽煤层实测厚 度 2.50～3.20m， 平均厚 2.88m， 属中厚煤层， 煤层倾 角为 1～3 ， 平均 1 ， 为近水平煤层， 夹矸 1～2 层。 煤类以不粘煤 （BN31 ） 为主， 块状、 沥青光泽、 条痕 为褐黑色、 棱角状、 参差状断口、 条带状结构、 内生裂 隙发育， 属半暗 - 半亮型煤。老顶为细、 粉砂岩， 厚度 8.12～11.70m， 灰色， 夹泥质及细粒砂岩薄层， 显示交 错层理， 含大量植物化石碎片， 夹煤屑。 直接顶为长石 石英中粒砂岩， 厚度为 13.7～14.07m， 灰白色、 以石英 为主， 分选中等， 次棱角状淡、 次圆状， 局部为钙质胶 结、 交错， 少量脉状层理。由矿井现场测试资料显示 30203 工作面顶煤强度平均值约为 26.79MPa， 粉砂岩 岩层强度平均值为 58.56MPa，中粒砂岩岩层强度平 均值为 80.32MPa， 属于典型的坚硬难垮落顶板[11]。 坚硬难垮顶板定向水力压裂初次放顶技术研究 曹国选 ， 刘成武 （陕西煤业化工集团孙家岔龙华矿业有限公司， 陕西 榆林 719314 ） 摘要 针对龙华矿 30203 工作面开采过程中坚硬顶板难易垮落问题，提出了定向水压致裂对顶板 强度进行弱化的方法。 介绍了水压致裂施工工艺流程， 设计了 30203 工作面初次放顶顶板水力压裂设 计方案， 并在切眼内进行了工业性试验。 施工后顶板产生大量裂隙并形成贯通网络， 顶板强度减小， 有 效弱化了顶板岩层， 实现了工作面安全生产。 该项研究对同等地质情况下坚硬顶板管理控制有一定的 参考借鉴意义。 关键词 坚硬顶板 ； 水压致裂 ； 切顶卸压 ； 弱化顶板 中图分类号 TD327文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 03- 0189- 03 Research and application of hydraulic fracturing technology for hard roof in 30203 working face of Longhua Mine CAO Guoxuan , LIU Chengwu （Sun Jiayu Longhua MiningCo., Ltd., Shaanxi Coal IndustryChemical Group ，Shaanxi Yulin 719314 ） Abstract For the problem that the hard roof is difficult to fall during the mining process of Longhua Mine 30203 in 30203 working face, the of hydraulic fracture to weaken the strength of the hard roof is proposed. The hydraulic fracture construction process was introduced, and the hydraulic fracture design scheme of the hard roof of 30203 working face was designed, and the industrial test was carried out in the cuttinghole. After the construction, the roof plate generates a large number of cracks and s a through- network, and the strength of the roof is reduced, which effectively weakens the roof rock layer and realizes the safe production of the working face. This research has certain refer- ence significance for the management ofhard roofunder the same geological conditions. Key words hard roof ; hydraulic fracturing ; pressure reliefbyroofcutting ; roofweakening 189 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 2坚硬顶板定向水力压裂控制技术 定向水力压裂技术是指在施工顶板钻孔内利用 水力割缝技术切割煤体形成预制导向槽， 然后， 密封 钻孔对其进行水力压裂， 利用预制导向槽引导致裂裂 纹发展方向，压裂和软化 30203 工作面煤层顶板， 降 低顶板强度， 从而达到控制顶板灾害的发生。定向水 力压裂技术主要包括 割缝、 封孔、 定向压裂三项工 序。该系统主要由进水管路、 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、 封孔器等组成[12]， 水力 压裂控制煤矿坚硬难垮顶板工艺过程如图 1 所示。 图 1定向水力压裂控制坚硬顶板岩层示意图 3坚硬顶板定向水力压裂初次放顶试验 3.130203 工作面顶板定向水力压裂初次放顶方案 为减缓在 30203 工作面回来时初次来压对液压 支架的破坏， 确保初采安全。 因此， 在工作面切眼进行 定向水力预裂初次放顶试验， 钻孔朝向为工作面推进 方向， 垂直于工作面切眼上仰布置。如图 2 所示。此 次， 共计施工压裂钻孔 18 个， 分别为压裂钻孔 A 和 B。压裂钻孔 A、 B 交替布置， 间距均为 10 m， 压裂钻 孔 A长度为 36 m， 仰角 25， 压裂钻孔 B 长度 35 m， 仰角为 45。钻孔直径为 113 mm， 采用水泥砂浆对 压裂钻孔进行封孔， 两种钻孔封孔长度均为 15 m。 （a ） 俯视图 （b） 侧视图 图 2坚硬顶板定向水力压裂切眼钻孔布置示意图 3.230203 工作面顶板定向水力压裂初次放顶试 验效果分析 3.2.1压裂时间与压力关系的分析 在进行 30203 工作面顶板定向水力压裂现场工 艺时， 安装水压仪监测详细的压力变化情况， 压裂压 力随时间的变化关系如图 3 所示。 图 3压裂压力随时间变化曲线 由图 3 可知 压裂水压主要集中在 5～20 MPa 之 间， 当压裂时间为 30 min 时， 压力较为稳定， 说明裂 隙已经张开， 且再持续加压 30 min 左右， 可以保证裂 隙扩展充分。 压裂效果表明 当压裂达到一定程度后， 顶板岩体开始形成新的裂缝或原生裂隙进一步张开， 裂隙一旦张开后， 压力有很小幅度的降低， 然后维持 在一定压力水平， 如此可使裂缝在 30203 工作面顶板 中扩展一定范围， 降低其顶板岩体的强度， 最终， 不同 深度的钻孔均实现了岩体的张开破坏， 削弱了顶板岩 体的完整性。同时， 通过对顶板岩体注水也可以达到 软化顶板的作用。 此外， 进行单孔多次压裂， 附近钻孔 及顶板锚杆、 锚索均有水流出， 因此， 单孔多次压裂可 在顶板中产生多条裂缝并使大量裂隙贯通， 有效弱化 顶板岩层， 使采空区顶板能够分层、 分次逐步垮落， 消 除难垮顶板产生的危害。 3.2.2顶板垮落效果分析 30203 工作面顶板定向水力压裂初次放顶试验 结束后， 现场观察与测定其顶板的垮落情况。当试验 完成后， 30203 工作面在机头推进了 12.6 m，机尾推 进了 14.5 m时， 基本顶开始逐渐地向下垮落， 直到工 作面机头推进了 23.1m， 机尾推进了 26.6 m 时， 基本 顶垮落基本完成。同时， 通过监测系统对支架应力变 化的测试结果可知当试验结束后， 30203 工作面初 次来压步距为 24 m。工作面推进过程中， 支架压力处 于较稳定的状态， 并无较大的波动情况， 顶板初次来 压峰值为 5710 kN， 其强度较低， 工作面上下端头支 架后方基本没有悬顶状态。 4结论 （下转第 193 页 ） 190 ChaoXing （上接第 190 页 ） 针对龙华煤矿 30203 工作面存在的坚硬顶板难 以垮落的问题， 提出通过定向水力压裂技术解决坚硬 顶板情况下的强矿压问题， 在 30203 工作面现场工业 性试验结果表明 30203 工作面坚硬顶板定向水力压 裂初次放顶试验完成后， 整体效果明显， 降低了其顶 板岩体的强度与完整性，顶板初次来压步距减小， 支 架压力无大的波动变化。 参考文献 [1]杨计先.坚硬顶板综放工作面末采切顶护巷水压致裂控 制技术[J].矿业工程研究,2019,34 （01） 30- 39. 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