潞宁煤业3号煤层坚硬顶板水力压裂技术研究与应用

张志军

（潞安集团潞宁煤业有限责任公司，山西 宁武036700）

1 工程概况

山西潞安集团潞宁煤业有限公司3号煤层位于大同组上段三亚段，煤层厚度为1.58～2.46 m，平均厚度为2.16 m，平均倾角为12°，结构简单，属稳定可采煤层；煤层直接顶为砂岩泥岩，基本顶为细粒砂岩。31101工作面位于井田东北方，工作面倾斜长度为159.3 m，走向可采长度为1 035 m，采用综合机械化开采，煤层顶底板岩层特征如图1所示，基本顶岩层为细粒砂岩，平均厚度为6.5 m，岩层坚硬、致密完整，为防止工作面回采作业时，基本顶悬顶距离过长造成矿压显现，需在回采前对顶板岩层进行预裂，有效控制顶板垮落，特进行水力压裂技术研究分析。

图1 工作面顶底板岩层柱状图

2 水力压裂裂缝的起裂机理

2.1 初次裂缝诱导应力场分布

在采用压裂钻孔进行压裂作业时，其钻孔内形成的裂缝主要为横向裂缝，垂直于钻孔方向，故在进行裂缝形成的诱导应力场研究时，建立各项同性和均质的平面应变模型，该模型的基本假设为裂缝的纵向剖面呈现为椭圆形、其形态主要为垂直方向的裂缝，现采用H/2对裂缝一半的高度进行表示，将x轴放置在长钻孔的方向，y轴放置在裂缝的高度方向，建立图2的水力裂缝诱导应力场几何模型。定义拉应力为正，压应力为负。

图2 水力裂缝诱导应力场几何模型

初次裂缝在长钻孔周围某质点（x，y，z）处产生的诱导正应力和剪切应力大小为：

式中部分符号的具体计算公式如下：

2.2 长钻孔周围地应力分布研究

长钻孔周围地应力分布研究，原始地层应力系统主要由3个相互垂直的应力构成，分别是：垂向上上覆地层产生的应力σv、水平方向上的最大水平主应力σH和最小水平主应力σh。原始应力场和诱导应力场分布示意图见图3。

图3 初始裂缝诱导应力下的地应力分布

根据图3所建立的初始裂缝诱导应力下的地应力分布模型，复合应力场的分析通过原始应力场和诱导应力场的叠加进行分析，结合弹性力学相关应力叠加方面的理论[3-4]，能够推导出钻孔壁处力学模型的表达各方向应力的表达式为：

在水平剖面上建立垂直于长钻孔截面的柱坐标系，分析钻孔壁处应力分布状态。

1）长钻孔内压引起的应力分量:进行水力压裂的过程中，具有一定压力的水会产生一定的内压，进行使得钻孔周围的应力状态发生改变，通过模型理论分析能够得出由于内压引起的应力分量表达式为：

2）复合应力引起的应力分量:3个复合应力σ'ν、σ'H和σ'h会在井壁上产生应力分量，这3个应力在钻孔壁上形成的应力分量为：

3）压裂液渗流效应引起的应力分量:压裂作业过程中，由于压裂液向地层滤失而产生的应力分量为：

应用叠加原理，考虑井筒内压、复合应力场和压裂渗流效应综合作用下的井壁应力场模型为：

2.3 诱导应力场中的裂缝起裂分析

当采用水力压裂技术进行压裂作业时，水压作用下煤岩体主要会由于所受的拉应力超过其极限抗拉强度而产生拉伸破坏，在煤岩体内原本即存在一定的弱结构面时，则在岩体原本弱结构面的位置处其抗压强度可视为0。钻孔壁面上z-θ平面上，水力压裂在煤岩体在壁面上产生的最大拉应力即为最大主应力与孔隙压力的差值，当其等于或大于岩石抗拉强度时，钻孔壁处岩石开始发生断裂[5-6]，即

当等号成立时，即为裂缝起裂时需要的最小破裂压力。假设：q=0°，长钻孔沿着最小主应力方向布置，此时钻孔壁应力场模型为：

压力：

3 水力压裂方案及效果

3.1 水力压裂方案

根据31101工作面的地质条件，结合水力压裂裂缝的起裂机理的分析可知，在超前工作面的一定范围内进行水力压裂时，此时压裂钻孔的应力状态接近原岩应力，进而可对水力压裂裂纹进行预测与控制；当在靠近工作面的区域进行水力压裂时，此时压裂钻孔的应力状态较为复杂，无法合理的控制压裂钻孔裂纹的扩展，基于此确定工作面水力压裂的范围为超前工作面50～170 m。

本次水力压裂方案中，设计压裂钻孔分为3类，分别命名为A类、B类和C类，A类和B类钻孔布置在工作面进风巷内，C类钻孔布置在回风巷内，具体3类钻孔参数见表1：

表1 水力压裂钻孔参数表

另外在工作面水力压裂期间为观测各类压裂钻孔的压裂效果，分别在水平距离3类钻孔2 m的位置处打设观察孔，观察孔的各项参数见表2。

表2 水力压裂观测孔参数表

具体31101工作面水力压裂钻孔和观测钻孔的布置形式如图4所示。

图4 水力压裂钻孔及观测布置形式示意图

在进行水力压裂作业时，为实现基本顶岩层的充分预裂，基于细粒砂岩的力学参数和压裂设备特征，确定注水压力为30 MPa，压裂钻孔打设完毕后，具体水力压裂的施工顺序如下所述：安装水压仪和封孔器并调试→注水压裂施工→提升注水压力至10 MPa，观察封孔情况→若封孔正常、继续提升水压力至设定30 MPa进行水力压裂作业→当压力表数据突然下降时、进行保压注水直至围岩表面渗水后，即表明单孔水力压裂完成→断电停水、封孔器卸压进行下一钻孔压裂作业。

3.2 效果分析

在每个钻孔进行水力压裂时，对压裂层位、加压时间、保压时间、注水量等相关数据进行监测，根据监测记录结果能够得出各类钻孔的压裂数据见表3。

分析表3可知，对于岩性相同的岩层，随着压裂深度的增大，其所需要的加压和保压时间也随之增加，针对不同岩性的岩层，影响压裂钻孔加压时间的主要因素为岩层性质。

表3 压裂钻孔压裂数据记录表

为有效分析工作面采用水力压裂技术预裂顶板后的效果，现在通过对比本工作面与相邻工作面间的液压支架工作阻力数据进行分析，相邻工作面的支护阻力数据如图5a），本工作面的支护阻力数据如图5b）。

图5 水力压裂前后支架工作面阻力曲线图

分析图5可知，相邻工作面未采用水力压裂预裂顶板时，工作面初次来压步距为55 m，周期来压步距为20 m；31101工作面采用水力压裂预裂顶板后，基本顶的初次来压步距缩短为35 m，周期来压步距缩短为15 m，且工作面的来压强度也明显降低；另外从资料数据和本工作面回采时的现场观测可知，相邻工作面直接顶的初次垮落步距为18 m，而31101工作面采用水力压裂预裂后，直接顶的垮落步距约为12 m。基于上述分析可知，工作面采用水力压裂预裂顶板后，工作面回采期间的矿压得到了有效降低。

4 结论

根据31101工作面顶底板岩层特征，通过分析水力压裂裂缝的起裂机理，得出水力压裂时煤岩体裂缝破裂压力表达式，结合工作面地质条件，设计水力压裂钻孔有3类，并对水力压裂方案中的各项参数进行具体设计，通过对比水力压裂前后支架工作阻力曲线，得出水力压裂方案实施后，有效减小了工作面回采期间的压力显现，为工作面的安全高效回采提供了保障。