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厚煤层坚硬顶板工作面定向长钻孔区域压裂技术及应用

2024-04-23 123 上传者：管理员

摘要：煤矿开采中常用全部垮落法管理工作面采空区顶板，当工作面上覆岩层存在坚硬顶板时，一旦顶板悬顶重量达到自身承载极限时，极易发生大面积冒顶事故，造成设备损毁和人员伤亡。针对雅店煤矿工作面回采时上覆坚硬顶板难垮落，长距离悬顶问题，采用定向长钻孔区域压裂技术，打破坚硬顶板在垮落时出现的整体性、瞬时性问题。结果表明，压裂后微震能量同比下降约15%,压裂中期、后期各自30 d内高能事件数量分别下降67%和11%;采动影响范围缩小，压裂区域整体来压步距明显降低，压裂区域的来压强度减小。保障工作面的安全高效生产，形成适合雅店煤矿地质条件下的区域卸压技术体系。

关键词：
区域压裂
周期来压
坚硬顶板
定向长钻孔
煤矿开采
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近几年来，煤岩体水力压裂控制技术[1,2,3,4,5,6]发展迅速，已经在坚硬顶板控制[7,8,9,10,11]、动压巷道卸压、坚硬顶煤弱化等领域推广应用，大幅提升了矿井生产的安全性。目前最为常用的为浅及中深孔水力压裂，常规的水力压裂施工时一般距离所要处理的巷道层位较近，孔深一般在60 m以内，最大施工孔深在150 m左右，钻孔倾斜打设，能够解决上覆坚硬顶板垮落不及时、采场压力集中、经常出现的压架和两顺槽超前支护段顶板变形等问题。但针对工作面采用常规的水力压裂切顶卸压时，由于受钻孔角度及深度的限制，压裂区域不能有效覆盖整个回采工作面上覆稳定岩层区域。定向长钻孔区域压裂技术应运而生。

雅店煤矿1407综采放顶煤工作面首次应用定向长钻孔区域压裂技术预裂4号煤层以上14 m和42 m范围的两层坚硬岩层，减少了工作面微震事件，降低了来压步距和强度，确保了工作面安全高效回采，为矿井的冲击地压防治工作提供了技术储备。

1、区域压裂技术

1.1 区域压裂技术原理

临空巷道煤柱上方布置压裂孔，预裂采空区侧向悬顶，降低临空巷道因悬顶带来的应力集中，同时充分预裂厚层坚硬顶板，一定程度上降低临空巷道上部厚层坚硬顶板在采动影响下破裂形成的动压能量释放，降低临空巷道动载荷。

实体煤巷道群中低位顶板中布置压裂孔，在覆岩中实现“人造解放层”,降低多煤柱巷道群的应力水平，实现区域卸压。

回采末段的低位顶板中无明显厚层砂岩，回采过程中低层位顶板随采随冒，但是工作面中高位顶板为厚层砂岩，不易垮落造成悬顶，可沿着工作面走向在其中部和上端头布置压裂钻孔，预裂该砂岩层使其及时破断冒落充填采空区，缓解覆岩活动范围和强度，进一步降低来压强度。

1.2 区域压裂技术优势

定向长钻孔区域钻孔技术能有效避免常规水力压裂在压裂深度、压裂层位、压裂时间安排等方面存在的不足，缓解工作面回采过程中坚硬顶板垮落不及时、频繁压架、巷道变形等问题，降低工作面回采巷道应力水平，实现区域卸压，同时可节约大量施工时间，且人员的远距离操作使安全性大大提升。

2、工程概况及区域压裂钻孔布置

2.1 工作面概况

雅店煤矿1407综采放顶煤工作面位于一采区中部，上部为实体煤岩层，以北为实体煤，以南为相邻工作面采空区，以西为井田边界，以东为3条下山。1407综采放顶煤工作面主采4号煤层，厚度11～17 m, 平均14 m, 埋深794.2～634.7 m, 工作面走向长度1 602.2 m, 宽200 m(实体煤),整体为倾向北西的单斜构造。

1407综采放顶煤工作面相关地质资料显示，4号煤层伪顶厚度一般小于0.5 m, 多为灰黑色泥岩，同煤层随采随落，极不稳定。煤层直接顶板以泥岩、砂质泥岩为主、部分为粉砂岩，强度最大38.15 MPa, 最小15.78 MPa, 平均25.48 MPa, 属软弱的不稳定顶板；老顶以灰色、灰白色细、粉砂岩为主，细砂岩强度22.40 MPa, 中砂岩强度19.11 MPa, 粉砂岩强度18.57 MPa, 为软弱岩类，软弱的不易冒落顶板，1407综采放顶煤工作面煤层顶板岩性如图1所示。回风顺槽回采前半段岩性参考图1(a)钻孔，回风顺槽回采末段岩性参考图1(b)钻孔，运输顺槽回采岩性参考图1(c)钻孔。

考虑到工作面回采中出现的上覆坚硬顶板悬顶面积大，来压步距长、强度大，严重影响了人员设备安全和工作面的回采进度，为此需要实施厚煤层坚硬顶板工作面定向长钻孔区域压裂技术，人为控制顶板垮落步距，减缓回采来压强度。

2.2 区域压裂钻孔布置

根据1407综采放顶煤工作面煤层顶板岩性分布，基于定向长钻孔区域压裂技术进行钻孔布置。运输顺槽和回风顺槽各布置一个钻场与压裂硐室，运输顺槽硐室位置距离停采线为250 m, 回风顺槽硐室位置距离停采线为200 m, 压裂卸压布置7个定向钻孔，如图2所示。运顺煤柱侧低层位卸压孔1#,压裂层位为煤层上方19 m; 中高层位卸压孔2#,压裂层位为煤层上方52 m; 临空煤柱上方卸压孔用以预裂临空巷道侧向悬顶，1#和2#距离运顺以南10m。运顺回采帮中高层位卸压孔3#,压裂层位为煤层上方47 m, 距离运顺以北40 m。回顺与泄水巷煤柱群上方卸压孔4#,压裂层位为煤层上方21 m, 距离回顺以北10 m, “人造解放层”实现煤柱群卸压；预裂孔5#,压裂层位为煤层上方52 m, 距离回顺以北10 m, 防止工作面端头中高位顶板悬顶。工作面中部顶板预裂孔6#和7#,距离回顺以南100 m和40 m, 压裂层位分别为煤层上方52 m和47 m, 预裂中高位厚层砂岩顶板，控制覆岩活动范围和强度。

2.3 区域压裂工程量和压裂曲线

1407综采放顶煤工作面区域压裂布置的7个钻孔，总施工工程量4 389 m, 见表1,压裂工程量3 381 m, 压裂平均间距为24 m, 合计压裂段数141段，如图3所示。

表1 1407综采放顶煤工作面区域压裂工程量

图1 煤层顶板岩性柱状

图2 区域压裂钻孔布置

图3 区域压裂示意

钻孔压裂过程中，每段压力曲线在压裂初期，完整的岩石在围压的不断积累下达到起裂点后瞬时压力降低，即每段压力曲线都有初始阶段都有一个极高的“尖点”,“尖点”之后压力的瞬时突降也证明岩石受压起裂后生产更大的缝隙，需要补充压裂液才能恢复压裂压力，这是压裂劈裂岩石的起裂压力。随后压力以波动的形式进入保压阶段，压裂呈现上下不断浮动，岩石不断地发生微破裂并向远处延展，并且不在同一频率上，符合岩石非均质性的特征。稳压阶段内多次呈现压力降，岩石裂缝不断扩展。压裂中段压力曲线波动明显，该阶段水压裂纹扩展较好，如图4(a)(b)所示。压裂过程中个别段水压较低，但是压裂液压力始终呈现波动状态，表明压裂液一直在做功，如图4(c)(d)所示。

图4 压裂曲线

3、应用效果分析

3.1 压裂前后微震活动分析

1407综采放顶煤工作面定向长钻孔区域压裂初期完成4个孔(1#/3#/6#/7#)压裂时，是工作面横向压裂工作。压裂前、中、后总工时约30 d内的微震活动变化，压裂前整体表现为高能量，高频次的微震活动。压裂后30 d, 顶板压裂完成区域卸压，微震日能量和频次一直在近2个月的最低水平，说明顶板压裂后，释放了顶板中存蓄的部分能量，工作面开采过程中释放的能量相对降低。

通过统计，压裂前30 d微震总能量为4.13×106 J;压裂中期压裂后30 d微震总能量为1.51×106 J,微震能量同比下降约63%;压裂后30 d微震总能量为1.29×106 J,微震能量同比下降约15%,如图5所示。压裂前、中、后30 d内日能量和日频次均持续下降，压裂前后微震活动从高能量、高频次向低能量、低频次的方向发展。

图5 压裂前后30 d微震活动曲线

3.2 压裂前后高能事件变化

1407综采放顶煤工作面定向长钻孔区域压裂前后103事件减少，压裂中期、后期各自30 d内高能事件数量分别下降67%和11%,如图6所示。

图6 压裂前后事件能级分布

3.3 压裂前后超前影响范围变化

1407综采放顶煤工作面应用定向长钻孔区域压裂技术后，从工作面微震事件分布来看，压裂前，微震事件主要集中在回风顺槽超前影响范围内，压裂后，高能微震事件向采空区和运输巷偏移，事件分布更为均匀，丛集效应减弱。同时，微震事件分布的超前距离由压裂前的404 m降低至压裂后的315 m左右，采动影响范围缩小，如图7所示。压裂改变了顶板的活动，在压裂和回采的共同作用下，能量事件向采空区转移，采场扰动范围变小，能量事件分布更均匀，一定程度上缓和了具有高冲击风险的工作面超前巷道附近煤岩体能量释放频度和强度。

图7 压裂前后微震投影分布

3.4 压裂前后端头载荷变化

1407综采放顶煤工作面巷道两侧上方顶板压裂前，回采帮侧支架阻力显示为红色，压裂后部分为绿色，表明压裂后压力高应力区向实体煤深处转移，端头支架的工作阻力降低，如图8所示。

在7个孔全部压裂完成后，两巷端头0～10#支架和100～110#支架之间的高应力区向偏中部支架转移，两巷回采帮以里约15 m范围内处于较低应力区域，应力集中区域基本上位于工作面中部区域，有效降低了两巷帮部的静载荷集中，使得巷道现有的载荷水平远小于冲击发生的临界点，降低了巷道的冲击风险。

图8 整体压裂前后支架阻力分析

3.5 压裂前后来压步距和强度变化

1407综采放顶煤工作面应用定向长钻孔区域压裂技术后，虽然存在4次来压步距平均值接近40 m, 如图9所示，但与未压裂前的50 m来压步距相比，压裂区域整体来压步距明显降低，压裂区域的来压强度比非压裂区域小的多，即压裂区域与非压裂区域同样是接近40 m的周期来压步距时，非压裂区域为切顶，支架被压死，而压裂区域支架整体呈前高后低状态，且立柱活柱留有余量。

工作面来压步距起伏变化是因为压裂后顶板破碎，导致较小推进步距下的垮落强度低，周期来压不明显，但当推进步距进一步增大时，中高位顶板也随之垮落，活动范围增大，形成较为明显的大周期来压。

图9 来压步距变化

4、结论

(1)厚煤层坚硬顶板工作面定向长钻孔区域压裂技术的应用实现了煤矿井下水力压裂由传统的常规点式压裂向区域压裂的转变。

(2)雅店煤矿1407综采放顶煤工作面坚硬顶板定向长钻孔卸压技术，压裂后微震能量同比下降约15%;压裂中期、后期各自30 d内高能事件数量分别下降67%和11%;采动影响范围缩小；压裂区域整体来压步距明显降低；压裂区域的来压强度减小。保障工作面的安全高效生产，避免因顶板大面积垮落造成的设备和人员伤亡，有效防范冲击地压危害。

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