水力压裂技术在东庞矿21215综采工作面的应用

冀中能源集团东庞矿 河北 邢台 054200

1 概况

东庞矿设计生产能力180万t/年。矿井开拓方式为立井加暗斜井多水平开采,矿井分三个水平开采,现阶段主要开采采区在11采区、12采区,三水平为主要采掘战场。2017年12月由高瓦斯矿井升为瓦斯突出矿井,2018年核定生产能力为390万t/年。

21215 工作面位于12采区左翼,工作面东南到21217工作面(已回采),西南邻-480二期辅助皮带巷,东北邻12采区轨道巷,西北到21213工作面(已回采),。工作面设计倾斜长度218m,回采推进长度1120m,该工作面煤层赋存标高为-570～-460m。21215工作面皮带巷与12采区轨道巷平行布置,留有100m保护煤柱。为减小21215工作面回采后动压影响、解决21215工作面隅角顶板悬顶面积大,顶板大面积垮落造成瓦斯积聚及顶板管理难题,东庞矿在21215工作面皮带巷顶板进行了水力压裂施工。

2 水力压裂参数设计

钻孔孔距与湿润半径有关,一般情况下孔距可选择湿润直径的2/3～3/4。孔径根据使用封孔器的直径选择。钻孔仰角根据现场实际情况而定。

压裂效果与顶板水力压裂高度有直接关系,距离巷道顶板太近或太远均不利。压裂区一般应离巷道顶板或支护体以上5m,否则容易造成顶板不易维护。

水力压裂保压持续时间的长短直接影响软化效果,具体保压持续时间、注入水量根据现场实际情况而定,此期间若出现顶板、煤帮或钻孔中渗水马上停止压裂

东庞矿21215工作面皮带巷压裂钻孔布置于皮带巷两帮,孔间距为15m,两帮钻孔交错布置,孔深40m,仰角为50°。回采帮侧钻孔垂直巷帮施工,非回采帮侧钻孔与煤柱夹角为10°。选择基本顶为压裂岩层,根据现场实际情况调整压裂时间和压裂位置,不得影响巷道安全。超前工作面推进施工水力压裂,对顶板岩层积聚的弹性能进行预先释放。

21215工作面切眼布置压裂钻孔13个。仰角30°,深36m孔3个;仰角50°,深40m孔6个;仰角40°,深45m孔4个。用于软化、破坏顶板完整性,使工作面初采期间顶板能够及时均匀的垮落。

3 水力压裂施工设备及工艺流程

施工钻孔设备为ZDY1200S钻机,采用直径为56mm的钻头。顶板水力压裂由封孔、高压水压裂、保压注水三个环节组成,由高压水泵、手动泵、手动泵、水泵压力表、蓄存压裂介质储能器、高压供水胶管以及封孔器组成压裂系统。

施工工艺流程:

1)连接安装封孔器接静压水对封孔器进行排气、试压,通过高压胶管将封孔器与连接好的手动泵和储能器连接。

2)调试工作完成,然后接上注水钢管,推送封孔器到预定位置。

3)封孔器用手动泵加压到10-16MPa后停止加压,检验封孔器气密性是否完好,确保封孔器可以保压。

4)压裂期间禁止无关人员通过,并在距离压裂孔20m处专人站岗警戒。

5)打开水压仪开关,缓慢加压直到压裂段岩体开始裂纹,压力突然变低,再继续保压注水30min使裂纹扩展,此期间若出现顶板、煤帮或钻孔中渗水马上停止压裂。

6)压裂工作完成后,所有设备恢复零位。

4 效果分析

1)工作面切眼压裂效果分析。工作面切眼采用水力压裂后,21215工作面相对以前其它工作面垮落规律,直接顶、老顶初次垮落步距均大幅减小,并且跨落更加均匀,杜绝了初采期间因顶板大面积垮落造成隅角瓦斯积聚,同时很好的抑制了工作面初采期间爆破强制放顶的不安全因素。

2)巷道压裂效果分析。回采工作面隅角瓦斯一直是瓦斯管理的重点难点,虽然工作面上下巷采取了超前退锚的措施,但采空区顺巷顶板始终存在较大面积悬顶不落的情况,加大了工作面回风隅角的瓦斯管理的难度。顶板采用水力压裂后,皮带巷隅角顶板随采随冒落,工作面回采期间隅角瓦斯保持在0.6%以下,很好的改善了以前隅角瓦斯常超限的局面。同时还减少了工作面回采过程中皮带巷的超前卧底、扩帮量。

3)巷道压裂对邻近巷道的保护。21215工作面距离12采区轨道巷的距离为100米,由于矿井主要生产区域集中在12采区,一旦12采区轨道巷遭到破坏,将严重影响矿井的整体生产水平。

21215 皮带巷水力压裂技术实施后,针对12采区轨道巷变形情况,我矿在该巷道共布置8个围岩观测站,经数据观测分析对比,顶帮无明显变形,仅巷道底鼓300mm,保证了巷道正常使用。