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摘要：尹家沟煤矿3110掘进工作面运输顺槽和切眼围岩存在变形严重、支护工程量大的问题。根据3110工作面顶板条件和施工条件，采用水力压裂技术施工，并选取部分地块进行工业性试验，经过监测数据的分析发现，巷道两帮和顶板的变形量均有一定程度的减弱，其中底鼓变形量的降低最为显著。
关键词：水力压裂；煤层；切顶卸压
0引言
近年来，随着我国煤炭资源的开采向深部转移后，井下巷道围岩所受的应力影响也逐渐增大。传统提高支架强度的方式虽然可以对围岩应力进行一定的控制，但无法从根本上解决巷道围岩中所聚集的应力，并且具有成本高、施工周期长的弊端[1-2]。为从根本上解决岩层中应力聚集的问，我国研究学者从不同角度对煤岩进行了人工干预泄压，如爆破卸压、水力压裂卸压、密集钻孔卸压、气相压裂卸压等方法[3-4]。其中，水力压裂有着更安全高效的实际使用特点，因此被广泛采用，并取得了一定的实践成果。笔者根据水力压裂的泄压机理，对尹家沟煤矿3110掘进工作面进行了卸压工作。
1工程概况
1.1工程试验地段
尹家沟煤矿所选取的水力压裂的施工地点为3110掘进工作面运输顺槽和切眼。3110运输顺槽共342 m，停采线为75 m，切眼长150 m，目前开采区域存在顶板应力集中、垮落难度大、并在垮落后对巷道造成冲击较大的问题，为减小沿空巷道的压力，将对顶板进行压裂弱化的技术施工。
1.2水力压裂钻孔应力场分析
水力钻孔在对孔岩壁进行压裂时，当液体压力超过孔壁处岩石开裂所需应力时，孔壁处将出现缝隙，影响缝隙大小的关键因素包括液体类型、岩层的力学性质、地应力场和钻孔方向有关，针对不同煤岩层，设计不同压裂角度十分重要，钻孔直角坐标系下孔边应力场如图1所示。
1.3压裂工艺
压裂泵型号选择为BRW200/31.5矿用专业乳液泵，连接抗压强度大于45 MPa的专用注水管路。乳液泵安装有多功能高压水表，供观测人员对管内水压进行检测。为降低工作面回风巷道顶板在掘进期间产生应力集中的现象，将使用高压泵进行总计4次的水力压裂。压裂工艺流程如下：高压泵→出水口→高压胶管→水压仪→注水钢管→压力钻孔。
2水力压裂实施方案
2.1 3110运输顺槽施工方案
水力压裂共在两个位置施工，3110运输顺槽处的水力压裂钻孔布置及参数如图2所示。压裂过程中，设置A、B长短间隔的两种钻孔，根据钻孔压裂情况调整压裂参数：A钻孔：长度30 m，仰角60°,夹角30°,压裂间隔3 m，单孔压裂次数8次，切眼前30 m，钻孔间距10 m，剩余段间距30 m，施工采用后退式方向实施，压裂段长度24 m；B钻孔：长度40 m，仰角60°,夹角30°,压裂间隔3 m，单孔压裂次数11次，施工采用后退式方向实施，压裂段长度33 m。
2.2 3110工作面切眼水力压裂钻孔
如图3，切眼处的水力压裂设置2种钻孔，顶煤压裂钻孔（M）和顶板压裂钻孔（D）。顶煤压裂钻孔（M）：钻孔长度30 m，仰角6°,钻孔间距20 m。施工采用后退式方向实施，压裂段长度24 m。顶板压裂钻孔（D）：钻孔长度30 m，仰角60°,钻孔间距20 m。施工采用后退式方向实施，压裂段长度24 m。
3压裂选型与封控
3.1压裂设备的选型
水力压裂的主要流程包括封孔、高压水压裂、保压注水、压裂监测等环节，压裂所需主要设备包括静压水进水管路、高压水泵、注水管、蓄存压裂介质水和油的储能器、封孔器、压力流量监测仪等，笔者根据各个系统的水力压裂能力，对设备进行了选型，参见表1。
3.2封孔工艺
封孔工艺流程图如图4所示，封孔压力为12~16 MPa，严格按照图4-1连接管路，保证连接处密封完好，试压达到要求后投入使用，试压时加压到2~5 MPa检查密封情况。利用高压水和手动阀为封隔器加压使胶筒膨胀，达到封孔目的；随后依照图4-2实时压裂。
4水力压裂效果
在对3110掘进工作面运输顺槽和切眼进行水力压裂后，在运输顺槽压力施工处的100～300 m和切眼施工的0～150 m范围内安装压裂效果观测仪，对该区域的巷道围岩变形量进行测定。笔者根据观测结果对比水力压力前后工作面的卸压效果，绘制对比曲线，如图5所示。图5中，底鼓变形量的衰减最为明显，其次为巷道顶板和巷道左帮，而巷道右帮变形量的变化最弱。图5-1为3110掘进工作面运输顺槽进行水力压裂卸压后巷道围岩变形量的变化情况，当采用水力压裂后，曲线均呈匀速变化趋势，说明水力压裂对围岩的控制效果较好。但底鼓量在采掘至250 m后有一个明显上升，分析认为，此处可能存在地质构造，在开采过程中，需要对此处围岩进行加强支护。图5-2的变形曲线较图5-1更加平缓有规律，总变形量较图5-1更大。总体而言，3110掘进工作面运输顺槽底鼓量、左帮变形量、顶板下沉量、右帮变形量最大值分别是123、58、42、11 mm；切眼时底鼓量、左帮变形量、顶板下沉量、右帮变形量最大值分别是180、66、48、19 mm。巷道围岩的位移量均在可控范围内，说明水力压裂对围岩应力有良好的控制效果。
5结语
利用水力压裂技术，对尹家沟煤矿3110掘进工作面运输顺槽和切眼进行了切顶卸压，通过对水力压裂后巷道围岩的变形量对比发现，水力压裂对巷道底鼓变形的控制最为有效。本次的水力压裂可以为同类坚硬顶板的控制提供借鉴依据，增加采空区的承受载荷并改变了煤柱应力的分布，有效提高了采掘衔接的优化控制，同时降低了回采工作面超前段巷道变形量大的问题。
参考文献
[1]刘爱卿.近距离煤层水力压裂切顶卸压护巷技术研究[J].煤炭工程，2020，52（4）：38-42.
[2]庞立宁.坚硬煤体水力压裂联合深孔爆破提高块煤率研究[J].煤炭工程，2021，53（10）：79-83.
[3]袁亮，林柏泉，杨威.我国煤矿水力化技术瓦斯治理研究进展及发展方向[J].煤炭科学技术，2015，43（1）：45-49.
[4]李国栋，郑凯歌，陈冬冬.赵固二矿本煤层定向长钻孔水力压裂增透技术研究[J].煤炭工程，2019，51（7）：53-57.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
本文标签：
水力压裂技术在煤层压裂工程中的应用分析论文
人参与 2024-11-20 10:25:50 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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