深部冲击地压矿井地面水平井压裂技术

胡 沛,王东杰,王 冰

(陕西彬长孟村矿业有限公司,陕西 咸阳 712000)

0 引言

随着煤矿开采深度的不断增大,深部开采导致冲击地压灾害形势日益严峻。近年来,国内众多学者在防治措施等方面取得重要进展,形成涵盖钻孔卸压、爆破卸压、注水软化等卸压解危措施的冲击地压防控技术体系[1-6]。但对于深部特厚煤层矿井,其煤层开采后覆岩运移范围广,采场应力分布复杂,工作面矿压显现剧烈。尤其当上覆岩层中存在坚硬顶板时,会因坚硬顶板破断步距大,影响范围广,使其失稳而更易造成工作面的高强度来压,甚至导致冲击地压的发生。因此对于此类开采条件下的深部冲击地压矿井,不能仅局限于低位基本顶范围内岩层的破断,更要考虑到高层位岩层的大面积悬顶、突然破断失稳对采场造成的影响[7-10]。陕西彬长孟村煤矿煤层上方60 m以上存在一层高位厚硬顶板,微震监测系统监测结果显示工作面大能量微震事件大部分分布于该层位,但现有的顶板爆破预裂等常规措施无法处理此高位岩层,为此矿井采用地面L型水平井对该高位岩层进行分段压裂。以此为背景,开展地面水平井压裂技术研究与效果分析。

1 矿井概况

彬长矿区孟村煤矿位于彬长矿区中西部,隶属陕西省长武县,可采储量5.85亿t,设计生产能力600万t/a,服务年限69.7 a。采用立井单水平开拓,划分为5个盘区(401～405盘区),中央并列式通风方式,走向长壁分层综合机械化放顶煤开采,全部垮落法管理顶板。主采4号煤层埋深600～890 m,平均厚度16.3 m,单轴抗压强度23.6 MPa。基本顶为砂岩,平均厚度10.3 m。4号煤层具有强冲击倾向性,顶板岩层具有弱冲击倾向性,底板岩层无冲击倾向性。矿井地质构造复杂,以断层和宽缓的褶曲为主,属严重冲击地压矿井。矿井401101工作面已于2020年3月回采结束,正在开采401102工作面。如图1、2所示。

图1 矿井采掘工程平面布置Fig.1 Plane layout of mine excavating engineering

图2 矿井综合柱状Fig.2 Comprehensive histogram of mine

2 地面水平井压裂情况

2021年8月,孟村煤矿在401102工作面首次应用地面“L型”水平井分段压裂技术,在工作面东西两侧各布置1口水平井(MC-01L、MC-02L),其中MC-01L井1 577 m,MC-02L井1 539 m,共压裂31段。地面水平井目标岩层为煤层上方60 m处的安定组下段的坚硬含砾中粗砂岩。水平井压裂位置如图3所示。

图3 地面“L型”水平井分段压裂示意Fig.3 Staged fracturing of surface “L” horizontal well

将MC-01L和 MC-02L共计31段的微震监测数据投影在401102工作面上,得出压裂裂缝的整体空间分布特征。沿工作面走向方向上,压裂缝网形成范围基本上位于压裂区域内。从图4可以看出,除切眼前方0～155 m和960～1 024 m范围外,人工裂缝沿401102工作面走向方向基本上实现全覆盖。

图4 MC-01L、MC-02L井压裂裂缝扩展图Fig.4 Fracturing crack expansion of MC-01L and MC-02L wells

3 数值模拟

为进一步分析地面水平井压裂对采煤工作面覆岩活动及矿压的影响,开展了地面水平井压裂数值模拟。

3.1 模型建立

模拟采用CDEM连续-非连续数值模拟方法,分析采煤工作面开采过程中地面水平井压裂对覆岩垮落及采场矿压的影响。根据401102工作面M4-1钻孔柱状岩性,建立工作面推进方向和工作面倾向方向的相应数值模型,如图5所示。模型长500 m,由于模拟主要研究距离煤层上方60 m、平均厚度为20 m的砂岩进行水力压裂后对覆岩垮落及矿压显现的控制效果,为减少数值模拟的计算成本,上覆岩层以均布压力施加在模型上方。

图5 数值模型示意Fig.5 Numerical simulation

根据计算模型的实际赋存条件,确定计算模型的边界条件。

上部边界条件:与上覆岩层的重力有关,为了研究方便,载荷的分布形式简化为均布载荷,上部边界条件为应力边界条件即q=yh=15 MPa。

下部边界条件:本模型的下部边界条件为底板,简化为位移边界条件,在x方向可以运动,y方向为固定-铰支座,即v=0。

两侧边界条件:本模型的两侧边界条件为实体煤岩体,简化为位移边界条件,在y方向可以运动,x方向为固定-铰支座,即u=0。

3.2 压裂前后煤体应力对比

水力压裂前后,工作面回采过程中的上覆岩层结构如图6、7所示。由两图可知煤层面开挖后,工作面上方直接顶岩层发生垮落,直接顶上方60 m厚的复合砂岩作为关键层形成较为稳定的岩梁结构。未采用水力压裂前,目标岩层垮落厚度大,步距长。水力压裂后,上覆厚层顶板被分层分段破裂成较小块度的岩体,无明显大块岩体。

图6 压裂前工作面回采期间覆岩倾向活动特征Fig.6 Inclined activity characteristics of overlying rock during working face mining before fracturing

图7 压裂后工作面回采期间覆岩倾向活动特征Fig.7 Inclined activity characteristics of overlying rock during working face mining after fracturing

为研究水力压裂对工作面矿压显现的影响,对水力压裂前和压裂后以及工作面两侧煤壁内支承应力进行分析,如图8所示。由图8可知水力压裂前工作面两侧煤体内的支承应力显著高于水力压裂后工作面两侧煤体内的支承应力。在煤柱开挖后,煤体内部应力重新分布,水力压裂前工作面两侧煤体内的支承应力依旧高于水力压裂后工作面两侧煤体内的支承应力。

图8 工作面两侧煤壁内支承应力对比Fig.8 Comparison of abutment pressure of coal wall on both sides of working face

3.3 压裂前后覆岩结构垮落特征

3.3.1 厚层顶板压裂前覆岩结构垮落特征

地面水平井压裂前,随着工作面的不断推进,采场上覆岩层的垮落过程以及结构特征如图9所示,直接顶岩层随工作面推进及时垮落,工作面推进100 m范围内上覆60 m厚层顶板底部发生拉伸破裂,并且裂缝由厚层顶板底部向顶部发育,但整体上厚层顶板还呈现较为完整的岩梁结构。工作面推进150 m范围时,层岩已发生失稳性破坏。随着工作面的继续推进,厚层岩发生周期性破坏。

图9 压裂前工作面覆岩活动变化Fig.9 Change of working face’s overlying rock activity before fracturing

3.3.2 压裂后覆岩结构垮落特征

工作面上覆厚层经水力压裂后,随着工作面的不断推进,采场上覆岩层的垮落过程以及结构特征如图10所示,直接顶岩层随工作面推进及时垮落,而且随着工作面的不断推进,上覆60 m厚层顶板内部的裂隙进一步扩展。工作面推进100 m范围内上覆60 m厚层顶板已发生失稳破坏。随着工作面的继续推进,60 m厚层顶板不仅沿着初始压裂缝网位置继续破裂扩展,而且缝网之间相对完整的大块岩体也继续发生二次破裂。

图10 压裂后工作面覆岩活动变化Fig.10 Change of working face’s overlying rock activity after fracturing

因此,地面水平井压裂能改变厚层顶板岩层破断的块体大小,可使破断的块体大小得到降低,进一步降低工作面支承压力,避免出现大面积悬顶的情况。

4 现场防治效果

401102工作面实施地面L型水平井分段压裂后,通过分析微震、矿压等监测数据后得出回采工作面冲击危险程度明显降低。

4.1 微震监测

对比未采取地面水平井压裂的401101工作面,401102工作面回采期间无104J以上事件,103J以上微震事件减少88%;103J以上事件占比6.1%,仅为401101工作面的10%,故地面水平井压裂可以使高位坚硬顶板提前弱化破断,有效减少了顶板破断产生的大能量微震事件,有利于工作面冲击地压防治,如图11、12所示。

图11 401101与401102工作面日微震能级对比Fig.11 Comparison of 401101 and 401102 working face’s daily microseismic energy level

图12 401101与401102工作面回采期间不同微震Fig.12 Different microseismics during mining of 401101 and 401102 working face

4.2 周期来压

通过地面水平井压裂后,产生的裂缝能够贯穿直罗组和安定组下部岩层,使40～80 m范围内岩层也能充分垮落,采空区垮落较为充分。此时,工作面液压支架的工作阻力主要来自高位层以下破碎岩体自重应力作用下的“给定载荷”状态,在这种状态下,支架表现为压力低、来压不明显的特征。401102工作面与401101工作面相比,周期来压强度降低15%,来压持续时间缩短61%,说明地面水平井压裂对目标岩层起到了很好的卸压效果。

表1支架压力监测数据对比

5 结论

(1)通过CDEM数值模拟分析,地面水平井压裂可以改变厚层顶板岩层破断的块体大小,使破断的块体大小得到降低,进一步降低工作面支承压力。

(2)经现场实践,地面水平井压裂能够使采面103J以上微震事件减少80%以上,大幅度降低采面周期来压强度及持续时间,可有效弱化高位坚硬顶板,减少大能量微震事件的产生。

(3)地面水平井分段压裂在冲击地压矿井的成功应用,表明该技术可有效弱化高位坚硬顶板,为实现冲击地压由井下防御治理到地面源头消冲的突破提供技术支撑,可为类似地质条件下冲击地压矿井防冲工作提供借鉴。