乌兰木伦煤矿初次放顶水力压裂技术应用研究

摘 要：文章根据神东矿区乌兰木伦煤矿顶板岩层强度不高、厚度较大、稳定性和整体性较好的特点，针对该矿工作面回采之后顶板无法自然垮落的问题，在该煤矿31409工作面初次放顶中，开展了水力压裂技术的设计、施工、监测等方面的应用研究。应用结果显示，在实施水力压裂工艺后，31409工作面初次垮落过程未形成冲击， 未对工作面的采煤工作产生影响， 安全地实现了工作面的初采， 水力压裂控顶技术应用达到了预期效果。 　　关键词：煤矿；初次放顶；水力压裂 　　1 前言 　　我国大部分煤矿采空区顶板无法随工作面推进及时垮落，如果遇到岩石强度高、节理裂隙不发育、厚度大、整体性强、自承能力强等条件的顶板岩层，煤层开采后采空区顶板大面积悬露在采空区，短期内不垮落；一旦垮落，将会产生大面积、大高度的一次性垮落，这将产生强烈的周期性来压。经过监测分析，神东矿区乌兰木伦煤矿工作面初次来压步距一般为40-70m。工作面初采时，90%以上的工作面需要实施爆破强制放顶，否则易造成工作面顶板大面积悬空，一次性垮落时往往伴随强烈的动力现象，造成设备损坏、危及人身安全等恶性事故，严重影响矿井的安全生产。 　　2 水力压裂技术及工艺 　　2.1 水力压裂技术 　　水力压裂（Hydraulic Fracturing）是指在钻孔过程中由于受到内部液体压力顶板发生开裂并且裂纹向周围扩展的过程。水力压裂可应用的领域范围较广，因此还被叫做水压致裂、水力劈裂。目前在我国该技术广泛应用于石油开发开采、天然气开采或地热开发利用以及放射性废物的环保处理、地应力的及时测量等方面。 　　水力压裂技术是指采空区放顶时需要控制水力压裂裂纹扩展方向，进而控制钻孔时控制压裂预制裂缝的扩展速度和方向。该技术对坚硬顶板的控制效果良好，削弱顶板的强度和整体性，尤其是能够有效压裂和软化。在采空区顶板放顶能够在垮落时能够分层分阶段的进行，可以使垮落时的压力有效降低，进而减小或消除顶板垮落的危害，使顶板能够达到自然垮落的效果。 　　2.2 水力压裂控顶技术特点 　　（1）与传统水力压裂作业不一样的是该种技术能够适应比较坚硬难垮的顶板，这种技术必须在井下进行，作业条件比较苛刻，存在一些问题比如作业空间狭小等。 　　（2）水力压裂控顶技术必须适应于当前对作业快速实施的要求，这是因为目前的煤炭开采多使用长壁式综合机械，在开采时进程速度比较快，因而顶板要及时垮落。 　　（3）在正常进行煤炭开采时，水力压裂控顶技术对其影响较小可以忽

略不计。 　　（4）相比于传统的爆破控顶，水力压裂控顶技术的安全性要更好，钻孔数目也不必过多，使得顶板垮落速度较快。 　　2.3 水压压裂工艺过程 　　水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板工艺过程如下。 　　（1）利用普通钻头，在巷道顶板坚硬岩层中钻孔，钻进至坚硬岩层需要压裂段后停止钻进。其中，钻孔角度及长度根据坚硬岩层厚度、工作面长度确定。钻机施工过程中严格按照钻机操作规程施工。 　　（2）将普通钻头换为可预制横向切槽的特殊钻头，在水力压裂段预制横向切槽。是否开槽以及开槽次数、开槽位置根据顶板强度和结构确定。 　　（3）普钻加深。退出横向切槽钻头，利用普通钻头继续在钻孔中钻进一段距离，为压裂段封孔提供空间。 　　（4）将垮式钻孔封隔器和注水管推进至水力压裂段。 　　（5）利用手动泵为封隔器加压使胶筒膨胀，达到封孔目的；手动泵封孔所需压力一般为10-20MPa左右。 　　（6）将高压泵与注水管连接，开启高压泵直至压裂完成。压裂过程严格按照压裂要求实施。 　　3 31409工作面初次放顶顶板水力压裂设计 　　在乌兰木伦煤矿，初次放顶顶板水力压裂技术首先应用在31409综采工作面，该工作面切眼分为切眼I和切眼II，倾向长度均为147.5m。采高4.2m，煤层结构简单。 　　3.1 设计原则与设计依据 　　（1）设计原则：水力压裂技术可有效控制工作面顶板初次垮落，最大程度削弱顶板的整体性，使得工作面顶板呈分层及时垮落。水力压裂技术有效控制顶板的同时，避免给工作面的正常回采带来影响，避免由于过度压裂和软化导致工作面顶板维护困难，避免由于水力压裂给顶板管理带来困难，避免其它可能的灾害。 　　（2）工作面老顶厚度较大，整体性强、稳定性好，初次垮落需采取强制措施。 　　（3）根据理论分析、煤层厚度、顶板岩层厚度，岩层结构。 　　（4）工作面难垮顶板水力压裂初次放顶设计及施工经验。 　　（5）上述地质资料较为简单，施工前在切眼顶板进行岩层结构窥视和围岩强度测试（切眼范围选取3个测点），根据现场测试结果指导设计与施工。 　　（6）工作面安装后对切眼支护退锚，保证顶板及时顺利垮落。 　　3.2 初次放顶顶板水力压裂设计 　　（1）根据钻孔位置的不同，钻孔布置为：在切眼I布置压裂钻孔L（L1-L8，共8个）和压裂钻孔S（S1-S7，共7个），垂直煤壁布置；在切眼I顺槽布置压裂钻孔S（S8-S13共6个）；在切眼II布置压裂钻孔L（L1-L8，共8个）和压裂钻孔S（S1-S8，共8个）；在切眼II顺槽布置压裂钻孔S（S