王进海
(山西省高平市科兴米山煤业有限公司,山西 高平 048400)
米山煤业有限公司主采山15#煤层,盖山厚度约178~154 m,煤层平均厚度2.7 m,煤层结构简单,含0~2 层夹矸,夹矸以炭质泥岩和灰黑色泥岩为主,煤层倾角为2°~8°,平均倾角为5°。煤层顶底板岩性见表1。直接顶为6.88~11.6 m 的K2 石灰岩;基本顶为16.17~17.5 m 的中粒长石砂岩;底板岩层为1.72~8.85 m 的细砂岩。15#煤层变化稳定,全区可采。
表1 煤层顶底板岩性
山15#煤层上方K2 石灰岩硬度较大,厚度大,且整体完整性相对较好,在工作面回采过程中,顶板岩层不易垮落,容易造成大面积悬顶,对安全生产带来极大隐患,因此提出采用水力压裂的方式对顶板K2 石灰岩进行处理[1-5],解决其大面积悬顶的问题。
15103 工作面开采的山15#煤层上覆6.88~11.60 mK2 石灰岩,完整性较好,较为坚硬,再往上16.17~17.5 m 的中粒长石砂岩,完整性也较好,且抗压强度较大,达45.3 MPa。参考相邻工作面回采期间,顶板不易垮落,为防止顶板悬空面积过大,带来安全隐患,后期还需进行强制放顶,严重制约了工作面的正常回采,且有较大的安全隐患。因此15103 工作面计划采用水力预裂的方式,提前对工作面顶板岩层进行处理,促使顶板岩层在工作面回采后及时垮落[1-5]。压裂钻孔示意图如图1。
图1 压裂钻孔示意图
在工作面前方40 m 位置,在运输巷和回风巷采帮侧均施工压裂钻孔,分别记为C 类、D 类钻孔,与水平方向夹角为25°,走向方向角为80°,长度为30 m。C 类钻孔和D 类钻孔前方10 m 位置,在运输巷和回风巷采帮侧分别布置A 类钻孔和B类钻孔,与水平方向夹角为30°,走向方向角为90°,长度为40 m。在A 类钻孔和B 类钻孔前方25 m 位置再重复施工C 类钻孔和D 类钻孔,循环往复。四类钻孔参数见表2。
表2 压裂钻孔参数
现场水力压裂流程如图2:
图2 水力压裂工艺流程示意图
(1)用Ф65 mm 的钻头进行钻孔,当钻孔满足设计要求时,更换钻头,在钻孔孔底位置施工切槽,如图2(a)所示;
(2)连接高压注水管,将封隔器送到切槽的既定位置,封隔器与手动泵通过低压水管连接,利用手动泵往内压水,使封隔器膨胀并达到封孔的目的,如图2(b)所示;
(3)将高压泵与高压注水管连接,并安装水压仪,利用高压泵注水,对钻孔封隔断进行压裂,水压仪用于记录压裂过程中水压的变化情况,如图2(c)所示。
在水力压裂过程中,需注意以下事项:
(1)检查注水管路无阻塞情况时,方可连接;
(2)手动泵注水封孔时,注水压力一般为10~12 MPa 即可;
(3)高压泵注水压裂前,应在施工位置前后100 m 处设置警戒线,与施工作业无关人员严禁入内;
(4)启动高压泵进行水力压裂过程中,如附近观测钻孔或锚杆(索)发生沥水、出水现象,应立即停止作业;
(5)应按照由里到外、从远到近的顺序对钻孔进行水力压裂。
3.2.1 水力压裂施工效果
对15103 运输巷及回风巷顶板岩层进行水力压裂过程中,记录数据见表3。
表3 水力压裂数据记录
如表2 所示,距离孔底位置越近,钻孔压裂所需水压就越大,由于A 类钻孔和B 类钻孔比C 类钻孔和D 类钻孔长度大,因此钻孔压裂时所需水压也更大。
3.2.2 工作面液压支架工作阻力监测
(1)水力压裂前后工作面液压支架工作阻力
对工作面顶板岩层水力压裂前后,15103 工作面回采过程中液压支架最大工作阻力对比如图3。
图3 水力压裂前后工作面液压直接工作阻力
如图3 所示可知,未对工作面顶板岩层进行水力压裂时,工作面液压支架工作阻力最大值为5700 kN,水力压裂后,工作面液压支架工作阻力最大值为4300 kN,水力压裂后工作面液压支架工作阻力降低了24.6%。现场试验结果表明,对工作面顶板岩层进行水力压裂后,改善了采场围岩应力环境,液压支架最大工作阻力降低明显。
(2)水力压裂后工作面液压支架工作阻力变化
对8103 工作面顶板岩层水力压裂后,工作面回采过程中,液压支架工作阻力变化情况如图4。
图4 水力压裂后工作面液压支架工作阻力
如图4 所示,对工作面顶板岩层进行水力压裂后,工作面回采过程中,工作面液压支架平均工作阻力为3300 kN,压力不大,液压支架工作状态良好,周期来压步距平均为25.6 m。通过现场观测,工作面回采过程中顶板岩层能够及时垮落,未出现大面积悬顶现象,达到了预期目的。
米山煤业主采的15#煤层顶板岩层坚硬,工作面回采过程中顶板岩层不易垮落,易形成大面积悬顶。根据实际条件,设计了15#煤层采场顶板岩层水力压裂方案和参数。现场监测数据显示,工作面液压支架工作阻力最大值降低了24.6%,平均值仅为3300 kN,周期来压步距平均值为25.6 m,回采过程中顶板岩层能够及时垮落,未出现大面积悬顶现象,达到了预期的目的。