水力压裂简介

煤岩体水力压裂弱化控制技术及应用我国属于坚硬难垮顶板的煤层约占三分之一左右；坚硬顶板极易发生冲击矿压或顶板大面积垮落；针对坚硬顶板和动压巷道存在的问题，巷道所开发并完善了煤矿井下定向水力压裂顶板控制技术与装备，形成了煤矿定向水力压裂顶板控制技术与工艺。近几年来，天地科技股份有限公司开发了水力压裂技术，使其成为一项安全、绿色的煤岩体弱化技术，已在多个矿区推广应用，取代了爆破方法，成为安全、绿色、高效、合理的初次放顶技术，大幅提升了矿井顶板管理水平。另一方面，水力压裂技术解决了综采工作面动压巷道卸压难题，已经在部分矿区推广应用，保证工作面安全、正常回采，取得了良好的技术经济和社会效益。此外，水力压裂技术在提高瓦斯的渗透性、提高综放工作面坚硬顶煤的冒放性、防治冲击地压等方面具有广阔的应用前景。一水力压裂技术简介1技术原理弹性理论力学模型及裂缝起裂典型规律见图1所示。钻孔最大拉应力：22max22zzz，水力裂缝开了条件：maxt015304560759000.511.522.53钻孔倾斜角Inc()裂缝起裂压力pb/σvH/h=1.0H/h=1.25H/h=1.5H/h=1.75H/h=2.0H/h=2.25H/h=2.5AZ=0H/v=1.5图1钻孔应力坐标系与裂缝压力起裂规律断裂理论力学模型及裂缝起裂规律见图2所示。图中P为压裂水压，KI和KII为与水压和地应力有关的应力强度因子。图2力学模型及起裂规律2技术流程定向水力压裂技术是指在顶板岩层压裂段预制切槽，然后对切槽段封孔并注入高压水进行压裂，从而破坏顶板岩层的完整性，进而削弱顶板岩层的强度和整体性。工艺示意见图3。图3水力压裂过程示意图水力压裂控顶工艺过程水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板工艺过程如图4所示。1)采用横向切槽的特殊钻头，预制横向切槽，如图4(a)所示。2)利用手动泵为封隔器加压使胶筒膨胀，达到封孔目的，如图4(b)。3)连接高压泵实施压裂，如图4(c)。钻杆切槽钻头横向切槽钻孔煤层坚硬稳定岩层(a)煤层坚硬稳定岩层注水管封隔器封隔段胶管压力表(b)高压泵压力表水压仪煤层坚硬稳定岩层注水管封隔器封隔段胶管(c)图4水力压裂控制坚硬顶板岩层示意图水力压裂可削弱岩层的整体性和稳定性，并定向切割顶板岩层，通过人为的方法将采面附近的高应力削弱，降低采面附近的高应力。同时，水力压裂技术具有安全性高、工程量小、成本低及适应性强(如高瓦斯矿井)等特点。二应用范围1坚硬难垮顶板控制坚硬难垮顶板水力压裂包括初次来压及周期来压控制。定向水力压裂技术应用于工作面坚硬难垮顶板岩层的控制，可使采空区顶板分层、分次垮落，缩短初次来压和周期来压步距，达到减小或消除坚硬难垮顶板对工作面回采危害的目的。与爆破等控顶技术相比，定向水力压裂控顶具有安全性高、成本低、施工速度快、适应性强等特点。初次来压控制技术是在工作面切眼形成之后，在工作面支架、刮板输送机及采煤机等采煤设备安装之前，对工作面顶板实施水力压裂作业，在回采之前预先弱化顶板岩层，待工作面回采后顶板岩层可自行、及时垮落，保证初采安全。施工工艺过程：围岩强度测试、钻孔结构窥视、地质资料调查、理论分析计算→钻孔布置初始设计→钻孔施工→钻孔窥视+围岩强度测试→钻孔开槽→封孔→单孔多次压裂。经过多次封孔分段压裂，如图5。周期来压控制技术类似。煤层坚硬稳定岩层钻杆切槽钻头横向切槽钻孔切眼(a)钻孔开槽煤层坚硬稳定岩层注水管封隔器封隔段胶管压力表切眼(b)跨式封孔高压泵压力表水压仪煤层坚硬稳定岩层水力裂缝切眼(c)单孔多次压裂图5水力压裂初采放顶工艺水力压裂控顶技术特点1)与传统水力压裂作业不同，水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板作业是在井下进行，需满足井下作业条件，如作业空间狭小等。2)水力压裂控顶技术需满足快速实施的特点，由于我国煤矿大都采用长壁式综合机械化采煤法，工作面的推进速度比较快，要求顶板能够及时垮落。3)水力压裂控顶技术不会对正常的回采工艺产生干扰。4)与爆破控顶相比，安全性好，并且所需钻孔数量少，使得作业速度大大提高。技术优势（1）使顶板分层、分次逐步垮落，确保工作面初采安全。（2）免去了人工装药、爆破环节，劳动强度和安全性大幅提高。（3）避免了回采工作面回风系统清理人员并设警戒环节，回风系统不受一氧化碳（2000ppm）等有毒有害气体的影响。（4）避免爆破强制放顶产生的震动对工作面人员和设备构成的威胁，不会干扰整个矿井的正常生产。（5）减少放顶对工作面初次的影响时间。核心技术仪器设备均为天地科技股份有限公司自主研发，属专利产品。（1）采用预制横向切槽钻头（2）采用跨式膨胀型封孔系统（3）采用水压流量仪监测压裂效果钻孔完成后，压裂前采用钻孔窥视仪观察顶板岩层结构，确定压裂位置；压裂过程中，采用水压流量计监测压力和流量，指导施工；压裂后，通过窥视和压力、流量监测结构评价压裂效果。图6水力压裂过程监测（4）围岩强度测试和钻孔窥视装备围岩强度测试和钻孔窥视装备用来指导设计、施工，保证压裂效果。图7钻孔窥视（5）钻机台车钻机台车能够实现钻机快速移动，稳固钻机时间约为10-30分钟，提高施工效率。目前，水力压裂用于坚硬顶板的控制技术已在山西、陕西、内蒙等近10余个矿区推广应用，包括晋煤集团王台铺矿、寺河矿、潞安集团漳村矿、五阳矿、余吾煤业、神东公司各矿、陕煤神南公司、伊泰集团酸刺沟、陕西省何家塔煤矿等30余座矿井。2动压巷道卸压技术背景我国煤矿沿空巷道布置于煤层或煤层附近，巷道围岩的强度一般较小，稳定性较差。往往要经历多次掘进和回采影响，受工作面超前支承压力和相邻工作面侧向支承压力的重复作用。沿空巷道的变形具有变形速度快、变形量大、变形形式复杂、变形无法稳定等特点，特别是在工作面超前支护段，巷道断面往往无法满足行人、通车及通风等要求，国内大部分煤矿的沿空巷道均存在不同程度的动压现象。如图8-9所示。回采初期，巷道受第1个工作面支承压力影响；回采后期，随着第2个工作面的开采，巷道受第1个工作面和第2个工作面支承压力叠加影响，巷道变形剧烈，依靠支护难以维护。图8巷道受第1个工作面支承压力影响图9巷道受叠加支承压力影响技术原理定向水力压裂技术还可用于缓解残余支承压力对采区巷道稳定性的影响，通过水力压裂的作用，削弱护巷煤柱上覆岩层的整体性，在护巷煤柱上覆岩层中形成一个弱化带，使残余应力峰值转移至相邻工作面煤体，从而达到巷道卸压的目的，可缓解巷道片帮、底鼓等有害变形。技术原理如图10。通过在巷道或邻近巷道实施煤岩体水力压裂弱化技术，减小侧向悬臂梁的长度或厚度，削弱或转移煤柱上覆的高应力，使巷道处于低应力区域，从根本上改变巷道围岩的应力状态，降低其维护难度。目前，该技术已经在晋煤成庄煤矿、潞安漳村煤矿、潞安余吾煤业、神东布尔台煤矿、神南红柳林煤矿、陕西何家塔煤矿等多个矿井推广应用。图10动压巷道卸压示意图3其他方面目前，该技术在坚硬顶煤弱化方面进行了有益尝试，并取得了丰富的经验。该技术必将在低渗煤层气增透、冲击地压防治、工作面主回撤通道末采卸压等方面发挥作用。三潞安矿区切眼初放应用实例1潞安漳村矿1.1压裂设计漳村煤矿2306综放工作面，位于23采区的南部，东面为23采区大巷，北面为2305工作面采空区，西面为23下部排水巷，南面为常村煤矿采空区。主采煤层为3#煤层，平均厚度为6.24m，直接顶为4.2m厚的泥岩，老顶为6.39m厚的细粒砂岩。岩层强度较大，如图11所示。附近地应力为最大水平主应力为7.89MPa，最小水平主应力为4.26MPa，垂直主应力为10.18MPa，最大水平主应力方向为N57.1°W。图11顶板岩层强度2306工作面切眼长度为172.5m，断面为7.5×3.3m。钻孔打设与回风巷夹角15°，钻孔长度为32m，仰角55°，钻孔垂直高度约为26m，可使压裂段位于老顶坚硬稳定岩层处。钻孔采用直径为Φ65mm的钻头进行钻进，间距10m，全工作面共18个钻孔；钻孔方向朝2306工作面推进方向，孔口距切眼外侧帮3m。钻孔布置如图12所示。2306回风巷压裂孔切眼2306运输巷2306工作面切眼A-AAA图122306工作面水力压裂钻孔布置1.2压裂监测图13为某预裂孔压裂时，水压仪测试结果。从现场施工及水压曲线来看，水压设置40~60MPa能够有效压裂顶板岩石。图13某钻孔第1次压裂时水压曲线在工作面液压支架安装上了连续监测设备，监测支架工作阻力随着工作面推进变化情况。25号支架及75号支架监测结果如图14-15所示，从中可以看出支架3.15~3.16日工作力基本就达到5500kN以上，说明此时老顶初次来压，老顶来压步距约为15.6m。图1425号支架支撑力连续监测结果图1575号支架支撑力连续监测结果1.3技术效果及经济效益具体效果主要体现在以下几个方面：（1）直接顶初次垮落2306综放工作面回采期间顶板垮落情况，当支架出切眼后，从50号支架至端尾端支架处直接顶均开始垮落，工作面支架开始放煤，当天回采1刀煤后，第二天整个切眼直接顶均垮落。类似条件2105工作面采用爆破预裂技术时，支架出切眼后直接顶板垮落段仅有10架，不能放煤，工作面推进至12m以后，直接顶才基本垮落。2306综放工作面放煤比2105综放工作面明显提前5m左右。（2）初次来压步距2105综放工作面推进至22m左右时，工作面局部支架老顶开始来压，来压步距约为22m；2306综放工作面推进至15.6m左右时老顶初次来压，来压步距仅为15.6m，缩短约6m。（3）经济效益采用水力压裂控制综放工作面老顶初次来压比深孔爆破具有显著的经济效益，主要体现在施工直接费用及资源回收效益两方面。1施工直接费用若采用深孔爆破的方式处理2306综放工作面顶板，处理的高度为10m时，根据爆破钻孔的影响范围以及作用效果，2306综放工作面采用深孔爆破处理切眼顶板时，所需的钻孔总长度为65×26=1690m（处理垂高为26m）；而采用定向水力压裂时，所需的钻孔总长度为18×30=540m，打孔长度减小1150m。地质钻切眼打孔单价为182.86元，节省打孔费用21028元。此外，爆破控顶需要大量的炸药，约为120×26=3120kg，而定向水力压裂不需炸药，并且设备可重复利用。2资源回收效益2306综放工作面比2105综放工作面初次放煤提前5m，工作面长度为172.5m，平均放煤厚度为3m，煤体容重1.35t/m3，多回收资源3493.5t，单价按2013年800元/t计算，资源回收效益为2794500元。综合来看，采用水力压裂比深孔爆破技术经济效益高达280万元以上。（4）安全效益当瓦斯浓度较高或煤层具有爆炸倾向性，采用爆破方式控制顶板岩层时，需要采取防止煤尘瓦斯爆炸的措施。而定向水力压裂不会引起煤层或瓦斯爆炸等安全性问题。2潞安五阳矿2.1压裂设计五阳煤矿7602综放工作面开采3号煤，工作面倾向长度为260m，煤层厚度约6.15m，倾角约2~7°，采高2.8m，放煤高度3.35m。相邻工作面直接顶初次垮落步距16m，老顶初次来压步距为28.6m。顶板岩层特性及岩层强度分别见表1和图16。五阳煤矿为高瓦斯矿井，其瓦斯主要来源于工作面煤壁，煤壁瓦斯涌出量和采落煤瓦斯涌出量约占工作面瓦斯涌出量的70%。表1顶板岩层柱状顶板岩石名称厚度/m岩性特征老顶砂岩7.98灰白色，质均，厚层块状，坚硬，钙质胶结。直接顶泥岩4.05黑色，块状，质匀，致密，含植物碎屑。伪顶炭质泥岩0.30黑色，夹煤线，节理发育，易冒落。图16顶板岩层强度采用后退式（从孔底向孔口方向依次压裂）单孔多次压裂技术对工作面前方的顶煤和顶板岩层实施水力预裂，将厚而稳定的顶煤和顶板分为多层，充分弱化煤岩体，使顶煤可及时顺利放出，降低初采损失率。同时，顶板岩层能够随工作面推进及时安全垮落，保证初采安全。为了确保顶煤能够得到充分压裂，并避免过渡弱化导致切眼在设备安装期间出现冒顶，确定压裂作业是在设备安装后，在液压支架后方实施。见图17所示。工作面煤层顶板岩层