高压水力压裂技术在坚硬顶板弱化控制中的应用

高压水力压裂技术在坚硬顶板弱化控制中的应用

李伟立,王涛

渤海钻探井下技术服务压裂酸化作业部 300280

摘要：输电线路施工点多线长面广，作业现场环境复杂，项目整体施工过程管控因素多、难度大。为保障施工质量，输电线路建设单位应重视施工安全问题，结合施工现场实际工况及存在的施工风险，建立与之相匹配的安全管控措施，既要坚持以人为本，协调好项目现场人员，也要严格控制工期、管控质量，保障输电线路施工按期高质量完成。本文主要分析高压水力压裂技术在坚硬顶板弱化控制中的应用。

关键词：采煤；坚硬；矿压；水力压裂

引言

受煤层地质条件、岩石压力、开采方法等因素的影响，煤矿井下综合工作面在初次开采时，工作面上部会远距离悬浮，导致开采区内气体、co等有害气体积聚，悬浮面上部突然脱落，在工作计划的最初开采过程中，可能会造成矿井顶部的事故，如顶部事故、天然气事故和二氧化碳事故，从而对生产安全构成严重威胁，以避免类似事故，通常采取的技术措施包括:早期拆除车轮锚、上下头、网目切割和强制安装顶板爆炸前的裂缝，但存在着切割效果差和安全系数低等问题。由于水力压裂技术的安全性和现场执行的便利性提高，高压水力压裂技术现已广泛应用于地表天然气开采、地表石油和天然气开采等领域。

1、高压水力压裂技术原理

地下岩层由于是由多种矿物质组合而成，其整体结构极为复杂，岩层中存在许多遇水容易发生膨胀变形的黏土层，岩体本身也存在大量节理和裂隙，具有各向非均质的特性。岩体受到水的高压作用力和长时间浸泡后，岩层结构和物理性质将会发生改变，岩层的黏结力下降、渗透性增强、抗压能力降低，同时岩体内部节理、裂隙也发生了二次发育和扩展，使岩体的整体结构和强度被进一步破坏。高压水力压裂技术就是利用水的高压作用可以弱化岩体强度的特点，通过在坚硬岩层顶板内施工预裂钻孔后向岩体内注入高压水，在水的高压和渗透作用下，使岩层内部结构和物理性质发生改变，裂隙、节理得到二次扩展和发育，致使岩体整体强度降低，从而实现弱化坚硬顶板的目的。水力压裂技术包括:在顶板上进行普通钻井后，使用特殊钻孔进入孔端的横缝，完成后用高压泵将高压注水切割部分填满切割槽 利用高压水剪切应力在剪切槽端部创建裂缝，逐渐延伸到岩层，增加岩层裂缝，将整个岩层分割成多个层，破坏岩层上部板的完整性 受工作面围岩运动压力和应力等综合因素的影响，工作面岩层从单整体沉降转变为连续沉降，降低了工作面的初始压力和周期性台阶，降低了压力力，实现了减员目标。

2、高压水力压裂—冲孔联合增透技术

高压水力压裂:组合冲压工艺是高压水力压裂增产技术与高压液压冲压增产技术相结合，同时作用于开采的煤层，大大提高气体开采效率。一、高压水力压裂增产技术是利用高压水力压裂泵组加压普通水，转化为高压压裂介质，注入原煤层，提高原煤层空气系数。高压水力压裂扩容区是一个比较封闭的区域，当高压水力压裂介质的水压达到煤层破裂压力时，原煤层微通道和裂缝将继续扩大，形成互连一体的裂缝系统与此同时，煤层内初始应力将重新分配，形成高压裂隙增大影响区的整体沉降，减压区原有煤层空气系数和整体气体提取效果将得到显着改善；第二，高压液压冲压技术是一种局部增气技术，利用高压水的瞬时冲击效应，连续破碎钻取的煤岩，形成新的破坏圈。井内煤岩孔逐渐扩大成为一个大型排水孔，受周围岩石压力的影响，迅速向井内移动，随着井外钻，将周围煤体推至第二次大规模除冰，大大提高了空气系数高压注入水继续沿着微电路和煤层断裂延伸，最后在煤层内相互连接和结合，形成一个相交的微电路网络。因此，高压水力压裂冲压联合增产技术在抽煤层影响区产生减压加渗双重效应，大大提高了原煤层的空气系数，大大提高了采煤效率。

3、井下试验

工作面断裂试验时，需要不断监测注射泵实际压力的变化，为断裂效果的综合分析和诊断提供可靠的参考依据。监测结果表明，岩石形成的一部分在高压水的持续作用下产生裂缝，压力曲线不规则，表明裂缝在扩大时并不十分严重；当部分裂纹继续断裂时，由于岩层厚度不均匀或不同层的渗透性不同，注入压力在上升和下降时会有所变化，从而产生波浪压力曲线。此外，注水断裂时泵站的压力可能会发生变化对矿物压力变化的观察表明，顶部直接压力的第一阶段为18.5米，顶部和底部压力相对较慢，中间压力较大。顶部的初始压力步长距离为48.6米。在初始压力时间，支撑的实际工作阻力大于70 %，达到450 kn ~ 5500 kn，局部最大阻力可达到6000kn，带现象比较严重。上部岩层水力压裂后，提升达到2.4米后开始顶板软化，推进距离达到4.8米后，整体直接沉降下降，推力达到12米后，整体顶部下沉，可见初始沉降为12米在初始压力下，支撑强度保持在3800kn至450kn的范围内，平均强度值为4150kn，仅约为其额定强度值的65%；最大工作强度为5575 kn，可达到额定工作强度的87 %，最小工作强度为125 kn，不到额定工作强度的2 %。与其他工作面相比，使用该技术的工作面的初始压力距离可减小近37米，这意味着该技术的应用可有效降低顶板压力，维护初始开采的安全性和稳定性。

4、煤层透气性测试对比分析

煤层气空气系数有助于更好地测量煤层气开采的难易程度，因此，通过测量和比较四种不同试验情景下的煤层气空气系数，研究了煤层气排放压力K1的增大效应。径向流量法计算了四种试验情景的煤层气密封系数:原始煤层气密封系数为0.028 m2/(MPa 2d)，即普通开采试验煤层气密封系数；提高到0.09平方米/(二维mpa)煤层的高压水力压裂渗透性；高压水力钻探试验的煤层渗透性系数提高到0.109平方米/(二维MPa)；高压水力压裂:冲压组合贯穿试验的煤层密封性系数改为0.1764 m2/(MPa 2d)。可见煤层气密封系数分别是高压水力压裂、高压水力冲压和普通开采的1.85、1.61和6.30倍，煤层气密封系数K1优于其他三种试验方法。

结束语

通过理论分析和井下现场应用实践表明，在工作面初采期间遇坚硬顶板岩层难以垮落时，运用高压水力压裂技术，能够有效地将工作面顶板上部坚硬的岩层进行切割、分层压裂，破坏岩层的整体性，使岩层固有硬度系数降低，工作面在回采过程中，顶板岩层由整体一次性垮落变化为依次分层垮落，缩短工作面初次来压和周期来压步距，降低来压强度，从而达到降低或消除工作面大面积顶板垮落带来的危害的目的，确保工作面安全顺利回采。

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