定向水力压裂技术在高瓦斯特厚煤层中的应用

定向水力压裂技术在高瓦斯特厚煤层中的应用

0巷道超前深孔预裂爆破弱化顶板的应用必要性王台铺15#煤矿未伪造屋顶，直接顶板为石灰岩，平均厚度9m，致密、坚硬，节理裂缝发育，完整性好。直接顶单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度平均分别127、7.5、16.2MPa。直接顶强度高、整体性强、自稳能力强,为典型的坚硬难垮落顶板,开采过程中,无法及时垮落,大面积来压时对支架有冲击,且初次来压和周期来压步距大,矿压显现十分明显。为进行安全开采,传统方法是采用两巷超前深孔预裂爆破弱化顶板的方式进行顶板处理,进行爆破强制放顶。王台铺煤矿15#煤埋深在110m,相对较浅,超前孔预裂爆破产生的震动会对地面建筑及周围环境产生一定影响,对周围村庄居民的生活造成影响;同时预裂爆破需用大量炸药,操作危险性高,爆破产生有害气体、火焰等将会带来一系列危害,导致局部CO积聚,安全管理难度加大,不利于安全生产,不宜采用超前深孔预裂爆破弱化方式处理顶板。为保证XV1308综采工作面安全回采,用定向水力压裂技术对试验区顶板进行弱化处理,解决其坚硬顶板的控制问题。1煤岩体单轴抗压强度现场测定结果与分析XV1308工作面走向长1018.6m,倾向长175.4m,煤层倾角1~5°,平均3°,煤层厚度平均2.46m。顶板岩层的强度、结构及其地应力场是用定向水力压裂技术控制坚硬难垮顶板设计的基础和依据。用水压致裂法进行地应力测量,σH最大10.3MPa,最小5.13MPa,侧压系数σH/σV分别为1.25、0.53、1.29,侧压系数2个>1,1个<1,主要以水平应力为主,属于构造应力场类型;最大水平主应力方向分别为:N44.6°W、N18°W、N57.3°E,主要为北偏西方向。采用钻孔围岩窥视对直接顶石灰岩裂隙结构进行观察,选择岩层孔壁完整段进行现场定向水力压裂。采用钻孔触探法对顶板岩层进行强度测试,测试结果表明,岩石单轴抗压强度式中Pm———临界破坏压力,MPa;k1,k2———系数。由上式可得到煤岩体的单轴抗压强度。现象测试岩体单轴抗压强度110MPa左右。2定向水力压裂技术(1)设计原则与设计依据定向水力压裂技术可有效控制工作面坚硬顶板的垮落,最大程度削弱顶板的整体性,使采空区顶板分层垮落、垮落高度增加、垮落块度减小、碎涨系数增加、垮落角增大、老顶初次来压及周期来压步距缩短、采空区悬顶减少、工作面端头三角区悬板面积减少,消除大面积冒落的恶性事故,同时也使动压系数减少、消除来压冲击载荷、来压显现缓慢,避免支架损坏。定向水力压裂技术有效控制坚硬顶板的同时,钻孔注入水和压裂水还使得岩尘、煤尘减少,节约截齿消耗量,对防止煤层自燃有利,避免给工作面的正常回采带来影响。(2)压裂钻孔布置根据试验区顶板条件和地应力场特征,压裂钻孔布置如图1所示,双侧布置,钻孔长70m,孔间距30m,钻孔仰角10°,钻孔水平投影与巷道夹角70°,钻孔采用直径准56mm钻头钻孔,方向朝工作面采空区。3工作台压裂效果3.1术地近工作面处测站的布置采用钻孔应力计测量煤体应力变化,分别在13081及13083顺槽煤体中布置2个测站,靠近工作面处测站布置于未进行定向水力压裂顶板下煤体,用于观测未进行定向水力压裂处煤体应力变化;远离工作面处测站布置于定向水力压裂顶板下煤体,用于观测定向水力压裂处煤体的应力变化。钻孔的长度分别为2、5、8、11、15m,钻孔间距1m,测站布置如图2所示。3.2工作面推进前后应力分析测站1-1、1-2、3-1、3-2主应力变化量随工作面推进的变化规律分别见图3~图6。(1)随着工作面的推进,应力变化加大,在工作面距离测点约50m时,应力增加开始加剧;(2)当工作面临近测点时,浅孔测得的应力变化开始减小,深部的应力变化仍然呈现增加趋势。3.3工作面压力作为对比,对工作面液压支架工作阻力进行监测,可综合评价定向水力压裂对工作面顶板来压的控制效果。据矿用压力计采集数据分析可知,试验工作面支架工作阻力总体呈低数值,基本在下限附近。工作面推进过程中,除压裂作业引起较大应力波动外,并未出现较大应力波动,定向水力压裂作业有效将工作面顶板弱化,在顶板岩层中形成贯通裂隙,破坏了顶板的完整性。因此,工作面推进过程中能够分层分次垮落,减小对工作面支架的冲击,同时也可有效缓解工作面和巷道煤壁片帮及巷道底鼓等现象。4采用定向水流压裂和深孔爆炸法4.1爆破材料消耗费用(1)顶板深孔预裂爆破工程量与费用此矿曾采用深孔预裂爆破的方式处理工作面顶板,在切眼和两顺槽进行预裂爆破。工作面切眼切眼长180m,需施工32个炮孔,炮孔总长650m。爆破时,矿用2#乳化炸药总用量1224kg,φ5.2mm导爆索总量1400m,共用64发雷管。切眼爆破材料费总计9719元。两顺槽工作面每推进30m两巷需施工16个炮孔,炮孔总长426m。爆破时,矿用2#乳化炸药总用量834kg,φ5.2mm导爆索总量450m,共用32发雷管。工作面每推进30m两顺槽爆破材料费总计5250元。炮孔施工时,每台钻机需2人操作,每班钻进速度平均17m,全天3班共钻进51m。工作面切眼施工32个炮孔,需4人2台钻机,6~7d时间完成,折合工数84个;工作面两巷施工16个炮孔,需4人2台钻机,3d时间完成,折合工数36个。工数共计120个。施工过程中,每完成1个孔需移动钻机重新定位,而移钻机工作量较大,且需要多人完成。(2)定向水力压裂工程量与费用工作面切眼切眼长180m,每20m施工1个钻孔共计9个钻孔,钻孔长70m,钻孔总长630m。相关材料费用切眼材料消耗费用总计6300元。两顺槽工作面每推进30m两巷需施工2个钻孔,钻孔总长140m。根据相关材料费用工作面每推进30m两顺槽材料消耗费用总计1800元。钻孔施工时,每台钻机需2人操作,每班钻孔钻进速度平均17m,全天3班共钻进51m。工作面切眼施工9个钻孔,需4人2台钻机,4~5d时间完成,折合工数54个;工作面两顺槽施工2个钻孔,需4人2台钻机,1d时间完成,折合工数12个。工数共计66个。施工过程中,每30m移1次钻机,工作量较爆破处理顶板每30m减少7次。定向水力压裂总费用8100元,比预裂爆破总费用14969元节约84.8%;定向水力压裂66个工数,比预裂爆破工数120个节约81.8%;同时还减少了相应的钻机移动次数和钻场施工硐室。4.2基本顶周期垮落步距(1)顶板深孔预裂爆破处理效果工作面的基本顶初次垮落步距平均38.3m。基本顶周期性垮落步距最大值为21.7m,最小值9.1m,平均13.7m。(2)定向水力压裂处理效果工作面的基本顶初次垮落步距26m,周期性垮落步距较小,随采随落。4.3炮眼爆破风险(1)实施顶板深孔预裂爆破处理后的其他工作面,相邻巷道在不同区段出现严重底鼓、片帮等矿压显现;(2)目前顶板处理方案规定,炮孔起爆时孔底离工作面煤壁距离应>40m,当在回风巷实施炮眼爆破时,炮眼正对着开关架的位置,装药难度大且爆破对开关等电气设备形成威胁;(3)目前实施炮眼爆破时间与炮眼施工完成时间存在一定间隔,受工作面矿压影响,部分炮眼出现变形而无法装药,不能正常实施爆破;(4)对工作面回采过程中未能正常实施爆破区域,此区段巷道及相邻巷道与实施了爆破的巷道及相邻巷道相比较,无明显巷道变形及片帮现象;综采工作面顶板也能正常垮落,基本顶周期性垮落步距并未出现增大迹象;(5)因XV#煤埋深较浅,在实施顶板深孔预裂爆破时,产生的震动在地面有明显感觉,对周围村庄居民的生活造成了影响。5定向水力压裂技术(1)采用的定向水力压裂高压注水系统和压裂工艺,能有效将工作面顶板弱化,在顶板岩层中形成贯通裂隙,破坏了顶板的完整性,在工作面推进过程中能够分层分次垮落,减小对工作面支架的冲击;(2)采用定向水力压裂技术对工作面顶板进行处理后,试验区来压显现不明显;(3)与顶板深孔预裂爆破控顶相比,定向水力压裂技术具有来压步距小、施工速度快、对地面及工作面环境影响小等诸多优势,顶板管理难度低;(4)与深孔预裂爆破控顶相比,定向水力压裂技术费用低,节约84.8%的费用和81.8%的人工