论文部分内容阅读
【摘要】通过在寺河煤矿二号井xv1305工作面进行的定向水力压裂试验，并且对工作面及顺槽的矿压规律监测结果进行分析的结果显示：老顶的初次来压步距约为35m左右，周期来压步距平均为15.5m，来压强度低，显现不明显，巷道在回采期间经受超前压力影响后，两帮移近量最大为126mm，顶底板移近量最大为50mm，巷道在超前压力段没有发生任何异常，效果明显。
【关键词】坚硬顶板；定向水力压裂；矿压监测
前言
在煤矿开采中，坚硬难垮顶板是指赋存在煤层上方或厚度较薄的直接顶上面厚而坚硬的砂岩、砾岩或石灰岩等岩层。我国煤层赋存条件复杂，属于坚硬难垮顶板的煤层约占三分之一左右，且分布在50%以上的矿区，如大同、鹤岗、枣庄、通化、神府、乌鲁木齐、晋城、潞安、兖州等；随着综合机械化采煤技术的普及，有超过40%的综采工作面属于来压强烈的坚硬难垮顶板，特别是有薄层直接顶的坚硬顶板工作面分布更广。水力压裂作为一种经济有效的坚硬难垮顶板控制技术，已在生产实践中显示出良好的技术经济和社会效益。
1.工程概况
寺河矿二号井现主采15#煤层，开采方法为一次采全高走向长壁综合机械化后退式采煤法，15号煤顶板直接顶和老顶均为致密坚硬的石灰岩，厚层稳定。含有泥岩夹层，其中，石灰岩强度强度大部分集中在110-130MPa之间，平均强度为123.43MPa，属于极坚硬顶板，泥岩夹层在顶板中的位置有所偏差，平均强度为45.32MPa。由于15#煤层直接顶为典型的强度高、整体性强、自稳能力强的石灰岩顶板，在开采过程中，大面积来压时对支架有冲击，并且初次来压和周期来压步距较大，矿压显现十分明显。
2.水力压裂技术研究
水力压裂（Hydraulic Fracturing）是指裂纹由于其内部液体压力的作用而开裂并扩展的过程。根据其应用领域的不同，亦称作水压致裂或水力劈裂。
2.1定向水力压裂控顶技术：首先利用KZ54型切槽钻头在压裂孔坚硬段预制横向切槽，退出钻杆，利用智能钻孔电视成像仪观察开槽效果。然后利用注水管将跨式膨胀型封隔器推入钻孔切槽处，连接手动泵和胶管，对封隔器加压，从而达到对横向切槽段封孔的目的。最后，连接高压注水泵、水压仪和注水管，对封隔段进行注水压裂，压裂过程中，利用水压仪监测泵压的变化。
2.2水力压裂控顶技术特点：（1）与传统水力压裂作业不同，水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板作业是在井下进行，需满足井下作业条件，如作业空间狭小等；（2）水力压裂控顶技术需满足快速实施的特点，由于我国煤矿大都采用长壁式综合机械化采煤法，工作面的推进速度比较快，要求顶板能够及时垮落；（3）水力压裂控顶技术不会对正常的回采工艺产生干扰；（4）与爆破控顶相比，安全性好，并且所需钻孔数量少，使得作业速度大大提高。
3.坚硬顶板定向水力压裂设计
3.1切眼水力压裂钻孔布置：工作面定向水力压裂钻孔采用直径为Φ56mm的保径加强钻头进行钻进。根据钻孔参数的不同，在切眼共布置2种类型的压裂钻孔，分别为：压裂钻孔-A，钻孔长度为25m，倾角为45°；压裂钻孔-B，钻孔长度钻33m，倾角为30°。钻孔间距均为10m，可根据现场压裂情况进行适当调整。
钻孔施工顺序：①先进行压裂钻孔-B的钻进和压裂作业，②待压裂钻孔-B的压裂工作全部结束后，再进行压裂钻孔-A施工和压裂作业。
3.2顺槽压裂钻孔布置：钻孔采用直径为Φ56mm的保径加强钻头进行钻进。根据钻孔参数的不同，在顺槽共布置3种类型的压裂钻孔，分别为：压裂钻孔-H，钻孔长度为25m，倾角为45°；压裂钻孔-L，钻孔长度为25m，倾角为45°；压裂钻孔-K，钻孔长度钻35m，倾角为30°。初始设计钻孔间距均为10m，根据现场施工情况，回风巷上下隅角垮落及时，效果明显，工作面推进100m后，将回风巷H钻孔的间距调整至15m。
钻孔施工顺序：①先进行压裂钻孔-K的钻进和压裂作业，②在进行压裂钻孔-L的钻进和压裂工作，③最后进行压裂钻孔-H的钻进和压裂工作。
4.现场试验及效果
自2013年11月开始，在XV1305工作面进行定向水力压裂试验，并且对工作面切眼和顺槽矿压显现规律进行了监测。
4.1工作面切眼试验效果
工作面在推进14m后顶板开始垮落，一周内老顶垮落完成，据推算和以往经验，XV1305工作面老顶初次来压步距约为35m，周期来压步距平均为15.5m。随着回采工作面的推进，在基本顶初次来压以后，顶板岩层发生回转失稳，垮落的岩块形成砌体梁结构，并将始终经历“稳定-失稳-再稳定”的动态变化过程，基本顶与未断岩层呈铰接状态，形成“砌体梁”结构，来压显现强度低。初采结束后，工作面日推进5m左右。XV1305工作面回采过程中最大悬顶长度为4m，最小长度为0m，最大悬顶面积能够满足现场小于4m×4m的要求，水力压裂的效果较明显。
4.2工作面顺槽试验效果
从回采期间巷道表面位移监测曲线可以看出：巷道表面位移中两帮移近量最大为126mm，顶底板移近量最大为50mm，巷道在回采期间的变形量加上掘进期间的变形量两帮最大为171mm，顶底板最大为90mm。巷道变形与回采之前相比仍然以两帮变形为主，顶底板变形次之，其中两帮收缩为主要变形。两帮变形一般在超前回采工作面50m左右开始显现，在超前工作面20m左右处变形速度加快，到最后工作面推过变形量不超过200mm。
总体来说，巷道变形量均不大，在控制范围之内。一方面说明全长预应力高强锚杆支护系统有效控制了巷道的围岩变形，另一方面通过水力压裂技术处理坚硬顶板能够有效阻断工作面侧向支承压力向顺槽巷道及煤柱方向的传递，解决了巷道底鼓量大的难题（未采用此技术以前巷道底鼓量最大达到巷2.6m）。
根据现场监测可知，XV1305工作面回采过程中回风巷上隅角悬顶基本上为随采随冒的状态，解决了因悬顶面积大导致瓦斯积聚超限的难题，同时邻近巷道底鼓现象得到明显抑制，水力压裂的效果非常明显。
5.结论
通过在寺河煤矿二号井vx1305工作面开展的定向水力压裂控制坚硬难垮顶板研究，主要得出以下结论：
（1）采用定向水力压裂技术对工作面顶板进行处理后，水力压裂裂缝的扩展半径约为20～25m，XV1305工作面顶板在推进14m左右时开始垮落，一周内老顶垮落完成，据推算和以往经验，老顶的初次来压步距约为35m左右，周期来压步距平均为15.5m，来压强度低，显现不明显，回风上隅角悬顶长度控制在4m以内，宽度也控制在4m以内，完全满足合同规定的技术指标。
（2）采用定向水力压裂技术对工作面顶板进行处理后，巷道在回采期间经受超前压力影响后，两帮移近量最大为126mm，顶底板移近量最大为50mm，巷道在超前压力段没有发生任何异常。
（3）通过现场监测及顶板垮落过程可知，定向水力压裂技术有效降低了xv1305工作面顶板压力的显现程度，解决了因悬顶面积大导致瓦斯积聚超限的难题，同时邻近巷道底鼓现象得到明显抑制，为寺河煤矿二号井坚硬顶板的控制提供了新的手段。
参考文献
[1]张先尘，钱鸣高等.中国采煤学[M].北京：煤炭工业出版社，200.305
作者简介
贾飞飞，山西晋城人，硕士研究生，助理工程师，毕业于安徽理工大学采矿工程专业，现在晋城煤业集团寺河煤矿二号井从事技术管理工作。
【关键词】坚硬顶板；定向水力压裂；矿压监测
前言
在煤矿开采中，坚硬难垮顶板是指赋存在煤层上方或厚度较薄的直接顶上面厚而坚硬的砂岩、砾岩或石灰岩等岩层。我国煤层赋存条件复杂，属于坚硬难垮顶板的煤层约占三分之一左右，且分布在50%以上的矿区，如大同、鹤岗、枣庄、通化、神府、乌鲁木齐、晋城、潞安、兖州等；随着综合机械化采煤技术的普及，有超过40%的综采工作面属于来压强烈的坚硬难垮顶板，特别是有薄层直接顶的坚硬顶板工作面分布更广。水力压裂作为一种经济有效的坚硬难垮顶板控制技术，已在生产实践中显示出良好的技术经济和社会效益。
1.工程概况
寺河矿二号井现主采15#煤层，开采方法为一次采全高走向长壁综合机械化后退式采煤法，15号煤顶板直接顶和老顶均为致密坚硬的石灰岩，厚层稳定。含有泥岩夹层，其中，石灰岩强度强度大部分集中在110-130MPa之间，平均强度为123.43MPa，属于极坚硬顶板，泥岩夹层在顶板中的位置有所偏差，平均强度为45.32MPa。由于15#煤层直接顶为典型的强度高、整体性强、自稳能力强的石灰岩顶板，在开采过程中，大面积来压时对支架有冲击，并且初次来压和周期来压步距较大，矿压显现十分明显。
2.水力压裂技术研究
水力压裂（Hydraulic Fracturing）是指裂纹由于其内部液体压力的作用而开裂并扩展的过程。根据其应用领域的不同，亦称作水压致裂或水力劈裂。
2.1定向水力压裂控顶技术：首先利用KZ54型切槽钻头在压裂孔坚硬段预制横向切槽，退出钻杆，利用智能钻孔电视成像仪观察开槽效果。然后利用注水管将跨式膨胀型封隔器推入钻孔切槽处，连接手动泵和胶管，对封隔器加压，从而达到对横向切槽段封孔的目的。最后，连接高压注水泵、水压仪和注水管，对封隔段进行注水压裂，压裂过程中，利用水压仪监测泵压的变化。
2.2水力压裂控顶技术特点：（1）与传统水力压裂作业不同，水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板作业是在井下进行，需满足井下作业条件，如作业空间狭小等；（2）水力压裂控顶技术需满足快速实施的特点，由于我国煤矿大都采用长壁式综合机械化采煤法，工作面的推进速度比较快，要求顶板能够及时垮落；（3）水力压裂控顶技术不会对正常的回采工艺产生干扰；（4）与爆破控顶相比，安全性好，并且所需钻孔数量少，使得作业速度大大提高。
3.坚硬顶板定向水力压裂设计
3.1切眼水力压裂钻孔布置：工作面定向水力压裂钻孔采用直径为Φ56mm的保径加强钻头进行钻进。根据钻孔参数的不同，在切眼共布置2种类型的压裂钻孔，分别为：压裂钻孔-A，钻孔长度为25m，倾角为45°；压裂钻孔-B，钻孔长度钻33m，倾角为30°。钻孔间距均为10m，可根据现场压裂情况进行适当调整。
钻孔施工顺序：①先进行压裂钻孔-B的钻进和压裂作业，②待压裂钻孔-B的压裂工作全部结束后，再进行压裂钻孔-A施工和压裂作业。
3.2顺槽压裂钻孔布置：钻孔采用直径为Φ56mm的保径加强钻头进行钻进。根据钻孔参数的不同，在顺槽共布置3种类型的压裂钻孔，分别为：压裂钻孔-H，钻孔长度为25m，倾角为45°；压裂钻孔-L，钻孔长度为25m，倾角为45°；压裂钻孔-K，钻孔长度钻35m，倾角为30°。初始设计钻孔间距均为10m，根据现场施工情况，回风巷上下隅角垮落及时，效果明显，工作面推进100m后，将回风巷H钻孔的间距调整至15m。
钻孔施工顺序：①先进行压裂钻孔-K的钻进和压裂作业，②在进行压裂钻孔-L的钻进和压裂工作，③最后进行压裂钻孔-H的钻进和压裂工作。
4.现场试验及效果
自2013年11月开始，在XV1305工作面进行定向水力压裂试验，并且对工作面切眼和顺槽矿压显现规律进行了监测。
4.1工作面切眼试验效果
工作面在推进14m后顶板开始垮落，一周内老顶垮落完成，据推算和以往经验，XV1305工作面老顶初次来压步距约为35m，周期来压步距平均为15.5m。随着回采工作面的推进，在基本顶初次来压以后，顶板岩层发生回转失稳，垮落的岩块形成砌体梁结构，并将始终经历“稳定-失稳-再稳定”的动态变化过程，基本顶与未断岩层呈铰接状态，形成“砌体梁”结构，来压显现强度低。初采结束后，工作面日推进5m左右。XV1305工作面回采过程中最大悬顶长度为4m，最小长度为0m，最大悬顶面积能够满足现场小于4m×4m的要求，水力压裂的效果较明显。
4.2工作面顺槽试验效果
从回采期间巷道表面位移监测曲线可以看出：巷道表面位移中两帮移近量最大为126mm，顶底板移近量最大为50mm，巷道在回采期间的变形量加上掘进期间的变形量两帮最大为171mm，顶底板最大为90mm。巷道变形与回采之前相比仍然以两帮变形为主，顶底板变形次之，其中两帮收缩为主要变形。两帮变形一般在超前回采工作面50m左右开始显现，在超前工作面20m左右处变形速度加快，到最后工作面推过变形量不超过200mm。
总体来说，巷道变形量均不大，在控制范围之内。一方面说明全长预应力高强锚杆支护系统有效控制了巷道的围岩变形，另一方面通过水力压裂技术处理坚硬顶板能够有效阻断工作面侧向支承压力向顺槽巷道及煤柱方向的传递，解决了巷道底鼓量大的难题（未采用此技术以前巷道底鼓量最大达到巷2.6m）。
根据现场监测可知，XV1305工作面回采过程中回风巷上隅角悬顶基本上为随采随冒的状态，解决了因悬顶面积大导致瓦斯积聚超限的难题，同时邻近巷道底鼓现象得到明显抑制，水力压裂的效果非常明显。
5.结论
通过在寺河煤矿二号井vx1305工作面开展的定向水力压裂控制坚硬难垮顶板研究，主要得出以下结论：
（1）采用定向水力压裂技术对工作面顶板进行处理后，水力压裂裂缝的扩展半径约为20～25m，XV1305工作面顶板在推进14m左右时开始垮落，一周内老顶垮落完成，据推算和以往经验，老顶的初次来压步距约为35m左右，周期来压步距平均为15.5m，来压强度低，显现不明显，回风上隅角悬顶长度控制在4m以内，宽度也控制在4m以内，完全满足合同规定的技术指标。
（2）采用定向水力压裂技术对工作面顶板进行处理后，巷道在回采期间经受超前压力影响后，两帮移近量最大为126mm，顶底板移近量最大为50mm，巷道在超前压力段没有发生任何异常。
（3）通过现场监测及顶板垮落过程可知，定向水力压裂技术有效降低了xv1305工作面顶板压力的显现程度，解决了因悬顶面积大导致瓦斯积聚超限的难题，同时邻近巷道底鼓现象得到明显抑制，为寺河煤矿二号井坚硬顶板的控制提供了新的手段。
参考文献
[1]张先尘，钱鸣高等.中国采煤学[M].北京：煤炭工业出版社，200.305
作者简介
贾飞飞，山西晋城人，硕士研究生，助理工程师，毕业于安徽理工大学采矿工程专业，现在晋城煤业集团寺河煤矿二号井从事技术管理工作。