侏罗系采空区煤柱上下坚硬岩层协同压裂控制技术_宗建强.pdf

煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 1同忻矿概况 大同煤田同忻矿区内赋存侏罗系和石炭系双系 煤层，层间距 150～300 m。侏罗系煤层已开采近 100 年， 系内煤层赋存广泛， 层位较多， 煤层开采后遗留了 大量煤柱。现矿区主采石炭系 3- 5 煤层， 平均厚度 14～25 m， 采用放顶煤一次采全厚， 开采后覆岩垮落运 移空间大。双系间岩层较为坚硬，抗压强度在 40～120 MPa。 同忻矿主采石炭系 3- 5 煤层， 以 8203、 8202 相 邻工作面为研究背景。工作面煤层厚度 15.65～25.28 m， 平均 21m， 倾角 0～3.5， 煤层标高 790- 815 m， 两 工作面长度均 200 m， 矿井先采 8203 工作面。8203、 8202 工作面上部侏罗系 14 煤层遗留煤柱，宽为 40 m， 高度 3.4 m， 埋深 321.8m， 遗留煤柱与 8203 工作面 呈斜交状态， 与 8202 工作面呈垂直状态， 煤柱与工作 面对照见图 1。其中紧邻煤柱下方存在一厚 17.5m的 细砂岩， 该砂岩坚硬完整， 抗压强度达 80～120MPa， 距 煤层 141.9m。 8203 工作面开采过程中， 矿压显现强烈， 尤其在 工作面开采至上覆侏罗系煤柱对应位置处， 强矿压显 现愈发突出。 图 1工作面与煤柱对照关系 2压裂层位的确定 研究表明，作面推进至上覆煤柱对应位置处， 上 覆煤柱大结构的高应力集中造成高位硬厚岩层发生 破断， 高位硬厚岩层大面积的破断回转连同上覆煤柱 结构的失稳运动是造成工作面强矿压显现的主要原 因。因此， 通过破坏上覆煤柱结构以减少其应力集中 程度， 或人为降低高位硬厚岩层的整体强度， 减少其 破断步距， 降低其破断强度是控制工作面强矿压显现 的两种有效途径[1-2]。 地面钻井压裂技术的原理是采用液压泵将压裂 液注入目标层，使得在目标层内形成人工增透裂缝， 与此同时也降低了岩层的整体性及其强度[3-6]。 因上覆煤柱结构受开采扰动和集中应力作用， 裂 侏罗系采空区煤柱上下坚硬岩层协同压裂控制技术 宗 建 强 （山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司长平公司 ， 山西 晋城 048000 ） 摘要 同忻煤矿难垮落坚硬顶板具有层数多、 厚度大、 层位高， 在开采特厚煤层时， 采场空间大， 覆 岩运移范围广， 矿压显现强烈。本文提出了地面水力压裂坚硬顶板控制矿压的方法， 改造了高位坚硬 顶板完整性和连续性。研究成果在同忻煤矿得到成功应用， 消除了强矿压显现， 经济社会效益显著。 关键词 坚硬顶板 ； 地面压裂 ； 大空间采场 ； 水压致裂 中图分类号 TD315文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 03- 0111- 03 Cooperative Fracturing Control Technology for Hard Strata Upper and Lower Coal Pillars in Jurassic Goaf ZONG Jianqiang Shanxi JinchengAnthracite Coal Mine Group Co., Ltd. ChangpingCompany ， Jincheng 048000， China Abstract In Tongxin Coal Mine, the hard roofwhich is difficult tocollapse has manylayers, large thickness and high seam. When miningex- tra- thick seam, the stope space is large, the overlying strata migration range is wide, and the strata pressure is strong. In this paper, a of controlling rock pressure by surface hydraulic fracturing hard roof was proposed, which improves the integrity and continuity of high- level hard roof. The research results have been successfully applied in Tongxin Coal Mine, eliminating the appearance of strong rock pressure, and achievinggood results and remarkable economic and social benefits. Key words hard roof; surface fracturing; large space stope ; hydraulic fracturing 111 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 隙节理高度发育， 对其实施压裂时压裂液滤失漏液现 象严重， 无法达到压裂要求， 难以实现对上覆煤柱结 构的破坏改性。上覆 17.5m 厚细砂岩相对完整性较 好， 通过对厚砂岩实施压裂， 可有效防止岩层的整体 性回转失稳， 压裂后厚砂岩层完整性及其岩石强度大 大降低， 随工作面开采及时发生垮落， 同时引发煤柱 上覆岩层也发生垮落， 见图 2。 另外， 压裂后厚砂岩层 中裂隙发育程度高， 在采动应力和煤柱集中应力共同 作用下， 裂隙更加发育， 岩层破碎， 在一定程度减弱了 上覆应力的传递，从而降低了工作面的矿压显现强 度。因此， 确定紧邻煤柱 17.5m硬厚细砂岩为压裂目 标层。 ab 图 2压裂控制机理及层位 3钻孔位置选择与施工 因煤柱两侧 14 煤层开采后顶板垮落， 岩层失稳 破坏， 在该区域内打压裂钻井难度大， 钻井围岩破坏 严重， 将会导致漏液严重， 无法实施压裂。 煤柱处上覆 岩层相对较为完整， 因此在距 8202 面 940m， 距进风 巷道 60m， 正对煤柱上方， 自地表垂直向下打压裂井， 压裂井底深度 400.38m。根据钻孔工艺，首先采用 Ф311mm 钻头自地表钻进至稳定基岩段 10m 后， 下 入 Ф244.5mm8.94mm 套管，而后采用 Ф215.9mm 钻头进行钻进至结束，下入 Ф139.7mm7.72mm 套 管。在目标层内， 分为 A、 B 两个区域进行压裂， 见图 3。 首先进行射孔在压裂井四壁形成多个小孔， 使压 裂液能够通过小孔进行扩展， 实现压裂。设计各区域 压裂井的密度高达 16 个 /m， 参数见表 1； 压裂主要分 为两个步骤 ①选用 50m3酸液进行初次压裂， 其成分 为 12HCL5HF， 通过对岩层进行溶蚀作用， 降低 岩石的力学性能， ②采用携砂液和 510.0m3清水继续 压裂， 采用携砂液进行压裂的目的是为了防止裂缝闭 合， 增加压裂效果。 在 8202 工作面地表布设检波器监测压裂过程中 微地震波信号以描述水压裂缝扩展规律。 检波器埋深 10cm， 布置方案见图 3。 图 3地面压裂示意 表 1压裂参数 采用 6 台车用于承载压裂液， 2 台车用于承载石 英砂， 1 台仪表车； 储备压裂清水 500m3。L 型水平井 可以人为控制水平钻井的掘进方向， 因此可以根据压 裂需要调整钻井方向，但 L 型钻井压裂成本高， 工 艺复杂， 操作难度大； 垂直井压裂裂缝扩展与岩层 地应力有直接关系，垂直井压裂工艺相对简单， 在 垂直井满足裂缝扩展要求的基础上， 优先选择垂直 井压裂[7-10]。 4 水压裂缝形态分析 根据压裂监测方案， 微震监测得到压裂扩展规律 如图 4。 图 4裂缝扩展形态 由图 4，最终压裂裂缝与工作面呈斜交形态， 与 工作面夹角约 15，裂缝向两个相反方向分别延伸 140m、 120m， 总长达 260m。 裂缝扩展范围覆盖了整个 工作面长度， 裂缝扩展效果较好。 得到压力液的压力与流量的线性规律见图 5， 在 压力达 21.7MPa 时， 岩石开始发生破裂， 随后降低并 逐渐趋于稳定， 压裂的持续扩展压力约 6.5MPa。 压裂 完成后， 耗液量为 480m3。 序号射开井段射开层厚 /m孔密度 （孔 /m ）孔数 A325.98- 331.485.51688 B333.68- 338.184.51672 112 ChaoXing （上接第 110 页） [2] 聂文,刘阳昊,马骁等.风流扰动支架架间高压喷雾降尘雾 滴粒度实验[J].中国矿业大学学报,2016,45 （04） 670- 676. 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