东周窑煤业综放工作面顶煤水力压裂技术研究

苏 鹏

(晋能控股集团 同发东周窑煤业有限公司，山西 大同 037100)

1 工程概况

晋能控股煤业集团同发东周窑煤业有限公司位于山西省大同市左云县玉奎堡村，目前主采的C5号煤层地面标高1 315～1 370 m，工作面标高910～990 m，煤层厚度为7.81～17.1 m，平均厚度10.92 m，含3～8层夹矸，煤层倾角为1～8°，平均倾角为4°。顶底板岩性如表1所示。

表1 煤层顶底板岩性

由于C5号煤层厚度较大，设计采用放顶煤工艺进行回采。经过现场试验，发现顶煤冒放性较差，因此提出采用架间定向水力压裂的方法，对难放顶煤进行预裂，以提高顶煤冒放性[1-5]。以东周窑煤业C5号煤层正在回采的8207工作面为工程背景，设计技术方案并进行工业性试验。

2 难放顶煤架间水力压裂方案设计

2.1 水力压裂孔参数的确定

根据现场钻孔资料可知，工作面上覆顶煤在0～4.5 m范围内裂隙较为发育，而4.5 m以上区域裂隙较少，顶煤较为完整，因此计划采用水力压裂的方法对4.5 m以上顶煤进行压裂。根据东周窑煤业C5煤层赋存特点及工程力学性质，确定水力压裂范围为1 m，设计对一个水力压裂孔分别在6.5 m位置和7.5 m位置进行两次水力压力，综合考虑现场施工的便捷性，水力压裂钻孔与水平方向的夹角设计为70°。

水力压裂孔布置间距主要取决于水力压裂的扩展半径，由于回风巷机械设备较少，因此选择在8207回风巷进行现场水力压裂试验，用于确定合理的水力压裂钻孔间距。如图1所示，在8207回风巷布置6个钻孔，其中1号、2号、4号、5号钻孔为观测孔，用于观测水力压裂情况，深度为6.4 m；3号和6号钻孔为试验孔，用于水力压裂试验，深度为8 m，钻孔间距设计为5 m。

图1 水力压裂试验孔布置示意

通过现场试验，水力压裂的压力为17.1～19.6 MPa，注水时间为20 min，水力压裂孔注水量为0.42 m3。根据现场已施工锚杆出水情况判断，水力压裂范围超过16 m。综合考虑工作面钻孔压裂情况，为保证水力压裂效果，水力压裂半径设计为10台液压支架，即水力压裂半径取15 m，水力压裂时高压注水压力取17～20 MPa。

2.2 水力压裂孔布置方案

工作面回采期间，发现130～168号支架后方顶煤块度大，因此选取这一区域进行初期水力压裂试验，综合考虑现场施工条件，水力压裂孔布置如图2所示。在130号、140号、150号、160号液压支架后方施工水力压裂孔并进行水力压裂，开横切槽位置为顶煤6.5 m及7.5 m处。

图2 水力压裂孔

为确保水力压裂效果，由于顶煤完整区域对高压水保压效果较好，因此水力压裂孔应布置在这一区域，水力压裂孔与水平方向夹角设计为70°，向工作面前方倾斜。

3 现场试验

3.1 施工工艺流程

工作面液压支架架间水力压裂施工工艺主要分为三大步骤：

1) 水力压裂钻孔施工。在工作面前方施工水力压裂孔，水力压裂孔与水平方向夹角为70°，深度为7.5～8.7 m，直径为50 mm。

2) 水力压裂孔内压裂切槽施工。水力压裂孔施工完毕后，用开槽钻头进行压裂切槽的施工，按设计在水力压裂孔6.5 m和7.5 m位置施工压裂切槽，具体压裂切槽的施工位置可根据顶煤赋存状态进行调整。

3) 封孔及高压注水压裂。利用封孔器进行封孔，其中封孔范围应超过顶煤破碎带范围，封孔完毕后进行高压注水压裂，为保证水力压裂效果，一定要将孔封死，避免卸压。

3.2 顶煤弱化效果分析

1) 水力压裂区域矿压显现规律分析。工作面回采过程中，对顶煤水力压裂前后工作面液压支架工作阻力进行现场监测，监测曲线如图3所示。

图3 工作面液压支架工作阻力分布

如图3(a)所示，水力压裂前，工作面中上部液压支架工作阻力明显较大，而水力压裂区域的130～160号液压支架工作阻力普遍较小，基本在1 000～4 000 kN范围内；如图3(b)所示，水力压裂后，130～160号液压支架工作阻力明显增大，基本在5 000～7 000 kN范围内。由此可见，对顶煤水力压裂后，增加了顶煤内部裂隙发育程度，当工作面向前推进时，顶煤能够及时垮落，增大了上覆岩层活动空间，顶板岩层变形、垮落范围随之增大，导致相应区域内工作面液压支架工作阻力明显增大。

3.3 水力压裂前后顶煤破碎状态分析

为掌握水力压裂效果，对水力压裂前后顶煤块度、放煤量及顶煤回收率进行了统计，结果表明：水力压裂前，支架后放出的顶煤块度较大，而水力压裂后，支架后放出的顶煤块度明显减小；水力压裂前，130～160号液压支架范围内，每米放煤量为1 635 t，水力压裂后，130～160号液压支架范围内，每米放煤量为2 017 t，提升了23.4%；水力压裂前，130～160号液压支架范围内，顶煤回收率为54.42%，水力压裂后，130～160号液压支架范围内，顶煤回收率为73.69%，提升了19.27%.说明水力压裂后，增大了顶煤裂隙发育程度，放煤高度增大，顶板上覆岩层活动空间也随之增大，顶板上覆岩层变形、破断后对顶煤的破煤效果更好，多方面提升了顶煤的冒放性。因此，水力压裂后，水力压裂范围内，顶煤块度变小，放煤量及顶煤回收率均明显增加。

4 结 语

本文针对东周窑煤业C5号煤层厚度大，采用放顶煤开采时顶煤冒放性较差的问题，提出采用水力压裂的方法，提升顶煤冒放性，采用理论分析及现场试验的方法，确定对工作面130～168号液压支架范围内顶煤进行水力压裂，水力压裂孔与水平方向夹角为70°，深度为7.5～8.7 m，直径为50 mm，压裂切槽在水力压裂孔6.5 m及7.5 m位置，水力压裂为高压注水压力，取17～20 MPa。最终选取8207工作面为工程背景进行现场试验，结果表明：水力压裂后，支架后方顶煤块度明显变小，水力压裂范围内，每米放煤量提升了23.4%，顶煤回收率提升了19.27%，效果显著。