厚煤层开采深孔预裂方案

山西锦兴能源有限公司肖家洼煤矿211305材料顺槽水力预裂方案中国矿业大学2019年2月1、项目背景及意义煤层多赋存于沉积地层中，受沉积岩成层特征及层间岩性差异影响，许多工作面顶板为砂岩、灰岩等坚硬岩层。目前，国内学者普遍认为，坚硬顶板是指在煤层之上直接赋存或在较薄的直接顶上赋存有强度高、厚度大、整体性强、节理裂隙不发育、煤层开采后在采空区可大面积悬露、短期内不易自然垮落的顶板。工作面回采后，采空区后方大面积悬顶易导致工作面漏风，引发瓦斯积聚及采空区遗煤自燃等灾害问题，且大面积悬顶一旦垮落后，极易产生强烈的冲击气流，诱发工作面产生冲击灾害，给矿井安全高效生产带来了严峻的挑战。目前，针对难垮顶板的管理和控制方法主要可以分为3大类：一类为采前/采后的爆破强制放顶法；二类为注水弱化法；三类为水力压裂法。针对坚硬致密，整体性好的顶板岩层，爆破法的应用范围最广，但爆破作业工程量较大、污染井下空气、安全风险较高；砂岩、砾岩等坚硬岩石不易溶于水，注水弱化的效果及应用范围均有很大局限性，难以人为控制；水力压裂法具有成本低、施工快速、安全、无污染、效果显著等特点，因此，随着利用水力压裂法控制坚硬难垮顶板的技术和装备的日渐成熟完善，该方法在全国多个条件适宜的矿区得到了推广和应用，是一项安全、绿色的切顶卸压技术。近年来，水力压裂技术已经逐步应用于煤矿井下坚硬顶板控制、瓦斯增透、动压巷道卸压等领域。为了预防山西锦兴能源有限公司肖家洼煤矿211304综采工作面末采期间胶带顺槽上隅角顶板悬顶导致瓦斯积聚、漏风等问题，在211305综采工作面材料顺槽向211304工作面胶带顺槽上方坚硬顶板开展水力预裂初次放顶技术研究。这一研究对于矿井安全生产和类似条件工作面的顶板处理具有重要意义。2工作面地质概况211304采煤工作面开采山西组13号煤。煤层直接顶为泥岩，平均厚度2.5m，深灰色，块状结构，裂隙较为发育；老顶为粗粒砂岩，平均厚度为10.55m，浅灰白色，厚层状，成分为石英、长石为主，分选好，钙质结构。上方第三层岩层为细粒砂岩，呈灰白色，夹少量深色乱纹，主成分为石英、长石。图1钻孔柱状图3水压致裂方案3.1施工地点顶板水压致裂地点应选择在211305材料顺槽施工方便、无断层地区，致裂点应距离停采线垂直长度50m以外。具体测试点，待现场确认后决定。3.2施工参数在工作面切眼内，仰角45°、偏角（偏向后方采空区方向）10°向实煤体侧顶板施工直径Φ63mm钻孔，钻杆直径为50mm，钻孔深度设计为40m，致裂孔间距为10m。每个孔致裂三次，致裂层位分别为顶板第三层细粒砂岩（一次）、第二层粗粒砂岩（两次）。利用水流变化和岩层窥视仪检验水压致裂效果。图2深孔致裂孔布置图3.3设备组成顶板水力压裂包括封孔、高压水压裂、保压注水、压裂监测等主要工序，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、注水管、手动泵、高压注水胶管、高压封孔器等。其中：封孔器：由中心管和封隔器胶筒组成水路通道。中心管注入高压水，通向压裂段，通过高压水压裂岩孔；而封隔器与中心管形成的空间，存储高压水用以密封压裂段。通过连杆将两支封隔器相连，岩孔压裂段处于两支封隔器之间。试验时，先要用手动泵通过高压胶管给封隔器胶筒与中心管间隙加压，密封岩孔压裂段，不使压裂段高压水外泄。封隔器连杆拉住两只封隔器，保持封隔器平衡，使封隔器与岩孔没有相对位移。注水管：注水管连接处用“O”型圈密封，螺纹扣连接，长度为1.5m。注水管作用主要有两个，其一，作为连接构件将连接好的封隔系统送至钻孔的预定位置；其二，作为加压通道对封隔的钻孔段进行压裂。3.4压裂工艺水力压裂控制煤矿坚硬顶板工艺过程为：1利用手动泵为封孔器加压使胶筒膨胀，达到封孔目的。2连接高压泵实施压裂。封孔工艺流程图如下图所示，封孔压力为16~20MPa，严格按照下图连接管路，保证连接处密封完好，试压达到要求后投入使用。试压时加压到2~5MPa检查密封情况。加压压裂工艺流程图如下图所示，压裂时间根据泵压确定，泵压稳定后停止压裂。3.5施工要求1、钻孔施工和压裂施工由山西锦兴能源有限公司肖家洼煤矿负责施工。2、施工期间，施工单位必须严格按照设计参数进行施工。3、所有工程施工期间，若遇到顶板、帮部条件不好或有异常状况，必须及手压泵三通压力表注水软管封孔器高压泵进水口出水口三通或直通(水压仪)过滤网注水钢管封孔器静压水高压胶管时采取加强支护措施并通知地测科。4、施工期间的积水、煤渣必须及时排放至规定地点，钻孔和压裂积水由排水泵通过排水管理排走，不得在井下随意排放。5、钻孔施工要求钻孔尽可能平直，避免大幅拐弯导致无法实施压裂。6、钻孔前必须由跟班队干、质量员共同标出钻孔位置并编号，严格控制打眼方位、角度。7、压裂过程中，安排专人观测压裂钻孔附近顶板情况，出现漏水时停止此次压裂，进行下次压裂。8、压裂过程中，在没有出现大量漏水的情况下，压裂时间不少于10分钟。9、压裂过程中，安排专人观测顶板支护情况，出现锚杆或锚索断裂的时，立即停止该孔压裂，设置临时支护，压裂40m范围以外的钻孔。并上报调度和地测科，补打支护。10、工程质量严格按照质量标准化要求，作业前严格执行制度，及时将活片煤用专用工具处理掉，确保安全。11、施工完毕后及时清理现场，做到文明生产。3.6施工组织每班工人4人，作业地点:211305材料顺槽。1施工工序(1)工序进入工作面进行瓦斯检查→施工前保护原有管、缆线→钻孔布置→钻孔→窥视→封孔→压裂→竣工验收。(2)钻孔布置方式钻孔采用全液压ZDY1200S钻机及配套钻机平台，钻杆为长度1.0m的Φ50mm钻杆，采用Φ63mm钻头。2压裂工艺(1)安装、调试工作结束后，连接注水钢管将封孔器推送至预定位置；(2)手动泵加压封孔器，待压力达到16-20MPa后停止加压，观察钻孔并监测压力表，确保封孔器正常工作；(3)距离压裂孔20m处拉警戒，试验期间除作业人员外禁止人员通行，操作人员以及作业设备应位于支护条件良好的位置；(4)开泵注入高压水直至预裂岩层开裂。完成单孔多次压裂作业。4设备清单序号部件名称型号和规格单位数量备注1高压注水系统1.1高压压裂泵（或乳化液泵站）台1额定工作压力大于30MPa；流量大于80L/min1.2高压胶管m200承压能力大于40MPa1.3注水钢管及密封件ZS1.5根602封隔系统2.1封孔器ZF-22A套22.2手动泵SD-60个12.3注水软管Φ4m2*55m3智能窥视系统3.1矿用窥视仪台1本安型4钻孔系统4.1钻机平台ZDY1200S台1电机功率22kw，660/1140v4.2钻杆Φ50-1000根604.3钻头Φ63mm个2