水力压裂技术在哈拉沟煤矿初次放顶中的应用

王庆雄

(神华神东煤炭集团公司哈拉沟煤矿，陕西 神木 719315)

0 引言

水力压裂是指裂纹由于其内部液体压力的作用而开裂扩展的过程。该技术已广泛应用于石油、天然气开采、页岩油气开发、煤层气开发和地热资源开发等领域[1-4]。近年来，煤炭科学研究总院开采研究分院康红普院士及其团队开展了水力压裂技术研究，包括水力压裂机理和参数、压裂设备器材、压裂效果检测等方面，将该技术应用于煤矿坚硬顶板控制，并在潞安、晋城、伊泰、神南、神东等矿区得到应用，并取得良好效果[5-8]。目前，水力压裂技术在坚硬顶板控制主要应用于煤矿高应力巷道卸压、采煤工作面上隅角悬顶防治和采煤工作面初次放顶等方面[9-11]。

根据神东矿区顶板条件，为确保综采工作面初采安全，综采工作面均需强制放顶，爆破强制放顶是传统的初次放顶方式，该方法虽然能够解决综采工作面初采期顶板问题，但是需要大量炸药，且爆破具有一定的安全隐患。哈拉沟煤矿作为神东煤炭集团主力矿井之一，产量大，综采工作面推进速度快，每年大约有4～5个综采工作面需强制放顶。根据近几年水力压裂技术在神东矿区大柳塔煤矿、锦界煤矿和补连塔煤矿等的成功应用经验，为实现矿井零火工品生产，需在22409-3综采工作面实施水力压裂初次放顶试验，为哈拉沟煤矿水力压裂技术应用奠定基础。

1 综采工作面概况及压裂工艺

1.1 22409-3综采工作面概况

哈拉沟煤矿22409-3综采工作面煤层平均厚度4.9 m，倾角1°～3°，煤层结构简单，属稳定型煤层。工作面宽度152 m，切眼高度3.8 m。工作面北西为22煤中央回风大巷，北东为22410工作面，南东为大柳塔煤矿22612、22613工作面采空区，南西为22408工作面。根据顶板岩层柱状图可知，直接顶为均厚13.91 m的砂质泥岩，局部为中粒砂岩；老顶为均厚8.1 m的粗砂岩，较坚硬，难垮落。工作面选用第1～9套DBT5.5m[ZY10000/25.5/55]二柱掩护式液压支架，额定工作阻力10 000 kN。

1.2 水力压裂初次放顶工艺

压裂工艺及设备：水力压裂初次放顶技术是在工作面切眼掘进、支护完毕后，在综采设备(采煤机、液压支架和刮板运输机等)安装前，在切眼正帮侧对顶板岩层实施水力压裂。水力压裂通过在钻孔压裂段预制顶板裂缝，从而控制压裂裂缝发育方向，主要起到压裂和软化顶板作用，从而削弱顶板的强度和整体性，待工作面回采后采空区能够分层分次垮落，缩短综采工作面初次来压步距和来压强度，避免初采期间顶板大面积垮落伤人、损坏设备事故。水力压裂初次放顶工艺包括施工钻孔、封孔、高压水压裂、保压注水和撤除设备，施工工艺如图1所示。

1-静压水进水管路；2-高压水泵；3-水泵压力表；4-流量计；5-手动泵；6-高压供水胶管；7-手动泵压力表；8-水压仪；9-接头；10-注水钢管；11-高压供水胶管；12-蓄存压裂介质水和油的储能器；13-封孔器；14-压裂钢管(管壁打孔)；15-预裂缝；16-下封孔器注水管；17-水力压裂钻孔图1 顶板水力压裂施工示意图

施工步骤：①施工钻孔。在切眼巷道正帮侧施工水力压裂钻孔，采用ZDY1200S型全液压钻机施工钻孔，钻头为φ56 mm；②封孔。钻孔施工完毕后，安装图1示意图连接相关设备、管路，注水钢管将封孔器推送至预定位置(预裂缝处)，利用手动泵加压封孔器进行封孔；③高压水压裂。封孔完毕后，给高压水泵先通水再通电，然后慢慢加压，同时记录、观测水泵压力表及手动泵压裂数据，继续加压直至预裂缝开裂(水泵压力表压力突然下降)；④保压注水。水泵压力表压力突然下降后，继续注水，确保压力稳定，保压注水能使裂纹继续扩展，同时也能软化顶板岩石；当相邻观测孔、锚索处流水，停止加压，压裂工作结束；⑤撤除设备。压裂工作结束后，高压水泵先断电后停水，封孔器泄压，然后退出钻孔，取出钻杆，回收设备。为提高工作效率，钻孔作业和压裂作业可平行作业，作业间距应不小于40 m。

2 水力压裂方案设计及施工

2.1 方案设计

水力压裂初次放顶技术目的是为了最大程度削弱顶板的整体性，使工作面回采后顶板分层及时垮落。同时，不能过度压裂和软化顶板，以保证工作面设备安装安全和初次期间顶板有效管控。根据22409-3工作面顶板赋存条件、釆高等参数，确定了压裂钻孔角度、长度、压裂次数等参数，22409-3工作面水力压裂设计如图2所示。钻孔参数为：压裂钻孔-S，钻孔长度36 m，倾角50°，垂深26.1 m；压裂钻孔-L，钻孔长度38 m，倾角25°，垂深16.2 m。压裂钻孔-S，-L间隔布置，间距10 m，压裂钻孔-S共11个，压裂钻孔-L共8个，钻孔总长度700 m，如图3所示。

图2 钻孔布置

a-压裂钻孔-L；b-压裂钻孔-S图3 水力压裂钻孔布置及钻孔参数图

2.2 现场施工

22409-3切眼施工钻孔位于正帮距离底板3.5 m处，钻孔施工时合理控制进给力，确保同一组钻孔轴线近似为一条直线。顶板压裂采用单孔多次压裂方式，从钻孔底板逐步向孔口方向依次压裂，孔口处压裂位置距离孔口>4 m。压裂时观察压裂处切眼巷道顶板锚索、相邻钻孔出水情况，出现锚索、锚杆断裂情况时立即停止压裂，调整压裂方式，当进水量和出水量接近时，停止压裂。

压裂期间，通过观测水压变化分析裂缝扩展情况。压裂开始时，水压增加较快，钻孔壁开裂时水压通常较高，随后压裂稍微下降，以稳定水压开始压裂，说明22409-3切眼顶板整体性好，裂缝不发育，大约30 min后，压裂区域锚索开始淋水并逐渐增大，待相邻钻孔开始淋水且压裂区域锚索普遍淋水时，说明压裂半径至少>10 m，相邻钻孔已贯通，此时停止压裂。

3 水力压裂初次放顶效果分析

3.1 水力压裂初次放顶效果

22409-3工作面于2017年3月6日开始初采，3月8日上午，工作面推进约12 m时，除机尾端头20台支架外，其他区域直接顶基本垮落完成；3月8日下午，工作面推进约16 m时，除机尾端头14台支架外，其他区域直接顶基本垮落完成；3月9日上午，工作面推进约18 m时，采空区直接顶基本全部垮落，仅剩机尾上隅角区域未完全垮落；3月10日上午，工作面推进约23 m时，机尾上隅角区域顶板垮落。直接顶垮落从工作面中部开始，缓慢向机尾端头侧扩展，分层逐渐垮落。3月11日，工作面推进约37 m时，工作面初次来压，支架阻力增大，来压期间最大阻力44 MPa，平均35 MPa，来压期间无明显片帮、漏矸现象，支架安全阀基本无开启，未产生飓风。因此，水力压裂初次放顶后，工作面顶板能够及时、分层垮落，初次来压期间矿压显现并不剧烈。

3.2 深孔爆破初次放顶效果

22409-3工作面为哈拉沟煤矿首个水力压裂初次放顶工作面，之前工作面均采用深孔爆破初次放顶技术。选取22409-3工作面相邻的22407工作面深孔爆破初次放顶效果进行对比分析。22407综采工作面赋存条件和22409-3工作面类似，工作面宽度284 m，选用郑煤6.3 m改5.5 m[12 000 kN]二柱掩护式液压支架167台，支架工作阻力12 000 kN。深孔爆破钻孔在工作面安装前施工，待工作面推进4～5 m时实施。钻孔呈“一”字型分布，距离切眼副帮4 m，间距10 m，按照22 m、28 m和34 m孔深为一组循环布置，钻孔仰角均为30°，直径90 mm，采用水胶炸药，装药量3.57 kg/m。所需材料包括水胶炸药、导爆索、雷管、起爆器和PVC管等，爆炸产生大量有毒有害气体，且爆炸冲击波对工作面支架等设备损伤较大。

22407工作面采用深孔爆破初次放顶后，当工作面推进约13 m时，50#～123#支架采空区直接顶垮落完成；当工作面推进约17 m时，8#～140#支架采空区直接顶垮落完成；当工作面推进约22 m时，采空区直接顶基本全部垮落。直接顶垮落从工作面中部开始，缓慢向机尾端头侧扩展，分层逐渐垮落。工作面推进约47 m，工作面60#～150#支架阻力开始增大，但普遍<40 MPa；当工作面推进约61 m时，75#～150#支架普遍>35 MPa；当工作面推进约65 m时，35#～150#支架阻力普遍增大，40#～145#支架区域矿压显现剧烈，支架阻力普遍>45 MPa，最大达48 MPa。初次来压期间支架安全阀普遍开启，立柱下沉量较小，不足100 mm，由于煤壁较硬，无明显片帮；来压期间有飓风出现，风势较弱。

对比22409-3工作面和22407工作面初采期间工作面矿压显现剧烈程度可知，22409-3工作面初次来压步距、来压强度明显小于22407工作面，说明水力压裂初次放顶技术能够更好地解决综采工作面初采顶板安全问题。

4 结论

(1)22409-3工作面水力压裂钻孔参数：压裂钻孔-S长度36 m，倾角50°，压裂钻孔-L长度38 m，倾角25°；压裂钻孔-S，-L间隔布置，间距10 m。采用单孔多次压裂方式，从钻孔底板逐步向孔口方向依次压裂。

(2)22409-3工作面采用水力压裂初次放顶技术后，初次来压步距和来压强度均有所降低，有利于初采期间综采工作面顶板管理，表明水力压裂初次放顶技术适用于哈拉沟煤矿。

(3)水力压裂与深孔爆破的初次放顶技术相比，具有以下优点：放顶效果更好；施工均在工作面安装前完成，不影响工作面连续回采；避免了使用火工品，安全性更高，为矿井实现零火工品奠定了基础；不会产生有毒有害气体，更加安全、环保、绿色。