深部沖擊地壓礦井地面水平井壓裂技術

胡 沛,王東杰,王 冰

(陜西彬長孟村礦業有限公司,陜西 咸陽 712000)

0 引言

隨著煤礦開采深度的不斷增大,深部開采導致沖擊地壓災害形勢日益嚴峻。近年來,國內眾多學者在防治措施等方面取得重要進展,形成涵蓋鉆孔卸壓、爆破卸壓、注水軟化等卸壓解危措施的沖擊地壓防控技術體系[1-6]。但對于深部特厚煤層礦井,其煤層開采后覆巖運移范圍廣,采場應力分布復雜,工作面礦壓顯現劇烈。尤其當上覆巖層中存在堅硬頂板時,會因堅硬頂板破斷步距大,影響范圍廣,使其失穩而更易造成工作面的高強度來壓,甚至導致沖擊地壓的發生。因此對于此類開采條件下的深部沖擊地壓礦井,不能僅局限于低位基本頂范圍內巖層的破斷,更要考慮到高層位巖層的大面積懸頂、突然破斷失穩對采場造成的影響[7-10]。陜西彬長孟村煤礦煤層上方60 m以上存在一層高位厚硬頂板,微震監測系統監測結果顯示工作面大能量微震事件大部分分布于該層位,但現有的頂板爆破預裂等常規措施無法處理此高位巖層,為此礦井采用地面L型水平井對該高位巖層進行分段壓裂。以此為背景,開展地面水平井壓裂技術研究與效果分析。

1 礦井概況

彬長礦區孟村煤礦位于彬長礦區中西部,隸屬陜西省長武縣,可采儲量5.85億t,設計生產能力600萬t/a,服務年限69.7 a。采用立井單水平開拓,劃分為5個盤區(401～405盤區),中央并列式通風方式,走向長壁分層綜合機械化放頂煤開采,全部垮落法管理頂板。主采4號煤層埋深600～890 m,平均厚度16.3 m,單軸抗壓強度23.6 MPa?；卷敒樯皫r,平均厚度10.3 m。4號煤層具有強沖擊傾向性,頂板巖層具有弱沖擊傾向性,底板巖層無沖擊傾向性。礦井地質構造復雜,以斷層和寬緩的褶曲為主,屬嚴重沖擊地壓礦井。礦井401101工作面已于2020年3月回采結束,正在開采401102工作面。如圖1、2所示。

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

圖2 礦井綜合柱狀Fig.2 Comprehensive histogram of mine

2 地面水平井壓裂情況

2021年8月,孟村煤礦在401102工作面首次應用地面“L型”水平井分段壓裂技術,在工作面東西兩側各布置1口水平井(MC-01L、MC-02L),其中MC-01L井1 577 m,MC-02L井1 539 m,共壓裂31段。地面水平井目標巖層為煤層上方60 m處的安定組下段的堅硬含礫中粗砂巖。水平井壓裂位置如圖3所示。

圖3 地面“L型”水平井分段壓裂示意Fig.3 Staged fracturing of surface “L” horizontal well

將MC-01L和 MC-02L共計31段的微震監測數據投影在401102工作面上,得出壓裂裂縫的整體空間分布特征。沿工作面走向方向上,壓裂縫網形成范圍基本上位于壓裂區域內。從圖4可以看出,除切眼前方0～155 m和960～1 024 m范圍外,人工裂縫沿401102工作面走向方向基本上實現全覆蓋。

圖4 MC-01L、MC-02L井壓裂裂縫擴展圖Fig.4 Fracturing crack expansion of MC-01L and MC-02L wells

3 數值模擬

為進一步分析地面水平井壓裂對采煤工作面覆巖活動及礦壓的影響,開展了地面水平井壓裂數值模擬。

3.1 模型建立

模擬采用CDEM連續-非連續數值模擬方法,分析采煤工作面開采過程中地面水平井壓裂對覆巖垮落及采場礦壓的影響。根據401102工作面M4-1鉆孔柱狀巖性,建立工作面推進方向和工作面傾向方向的相應數值模型,如圖5所示。模型長500 m,由于模擬主要研究距離煤層上方60 m、平均厚度為20 m的砂巖進行水力壓裂后對覆巖垮落及礦壓顯現的控制效果,為減少數值模擬的計算成本,上覆巖層以均布壓力施加在模型上方。

圖5 數值模型示意Fig.5 Numerical simulation

根據計算模型的實際賦存條件,確定計算模型的邊界條件。

上部邊界條件:與上覆巖層的重力有關,為了研究方便,載荷的分布形式簡化為均布載荷,上部邊界條件為應力邊界條件即q=yh=15 MPa。

下部邊界條件:本模型的下部邊界條件為底板,簡化為位移邊界條件,在x方向可以運動,y方向為固定-鉸支座,即v=0。

兩側邊界條件:本模型的兩側邊界條件為實體煤巖體,簡化為位移邊界條件,在y方向可以運動,x方向為固定-鉸支座,即u=0。

3.2 壓裂前后煤體應力對比

水力壓裂前后,工作面回采過程中的上覆巖層結構如圖6、7所示。由兩圖可知煤層面開挖后,工作面上方直接頂巖層發生垮落,直接頂上方60 m厚的復合砂巖作為關鍵層形成較為穩定的巖梁結構。未采用水力壓裂前,目標巖層垮落厚度大,步距長。水力壓裂后,上覆厚層頂板被分層分段破裂成較小塊度的巖體,無明顯大塊巖體。

圖6 壓裂前工作面回采期間覆巖傾向活動特征Fig.6 Inclined activity characteristics of overlying rock during working face mining before fracturing

圖7 壓裂后工作面回采期間覆巖傾向活動特征Fig.7 Inclined activity characteristics of overlying rock during working face mining after fracturing

為研究水力壓裂對工作面礦壓顯現的影響,對水力壓裂前和壓裂后以及工作面兩側煤壁內支承應力進行分析,如圖8所示。由圖8可知水力壓裂前工作面兩側煤體內的支承應力顯著高于水力壓裂后工作面兩側煤體內的支承應力。在煤柱開挖后,煤體內部應力重新分布,水力壓裂前工作面兩側煤體內的支承應力依舊高于水力壓裂后工作面兩側煤體內的支承應力。

圖8 工作面兩側煤壁內支承應力對比Fig.8 Comparison of abutment pressure of coal wall on both sides of working face

3.3 壓裂前后覆巖結構垮落特征

3.3.1 厚層頂板壓裂前覆巖結構垮落特征

地面水平井壓裂前,隨著工作面的不斷推進,采場上覆巖層的垮落過程以及結構特征如圖9所示,直接頂巖層隨工作面推進及時垮落,工作面推進100 m范圍內上覆60 m厚層頂板底部發生拉伸破裂,并且裂縫由厚層頂板底部向頂部發育,但整體上厚層頂板還呈現較為完整的巖梁結構。工作面推進150 m范圍時,層巖已發生失穩性破壞。隨著工作面的繼續推進,厚層巖發生周期性破壞。

圖9 壓裂前工作面覆巖活動變化Fig.9 Change of working face’s overlying rock activity before fracturing

3.3.2 壓裂后覆巖結構垮落特征

工作面上覆厚層經水力壓裂后,隨著工作面的不斷推進,采場上覆巖層的垮落過程以及結構特征如圖10所示,直接頂巖層隨工作面推進及時垮落,而且隨著工作面的不斷推進,上覆60 m厚層頂板內部的裂隙進一步擴展。工作面推進100 m范圍內上覆60 m厚層頂板已發生失穩破壞。隨著工作面的繼續推進,60 m厚層頂板不僅沿著初始壓裂縫網位置繼續破裂擴展,而且縫網之間相對完整的大塊巖體也繼續發生二次破裂。

圖10 壓裂后工作面覆巖活動變化Fig.10 Change of working face’s overlying rock activity after fracturing

因此,地面水平井壓裂能改變厚層頂板巖層破斷的塊體大小,可使破斷的塊體大小得到降低,進一步降低工作面支承壓力,避免出現大面積懸頂的情況。

4 現場防治效果

401102工作面實施地面L型水平井分段壓裂后,通過分析微震、礦壓等監測數據后得出回采工作面沖擊危險程度明顯降低。

4.1 微震監測

對比未采取地面水平井壓裂的401101工作面,401102工作面回采期間無104J以上事件,103J以上微震事件減少88%;103J以上事件占比6.1%,僅為401101工作面的10%,故地面水平井壓裂可以使高位堅硬頂板提前弱化破斷,有效減少了頂板破斷產生的大能量微震事件,有利于工作面沖擊地壓防治,如圖11、12所示。

圖11 401101與401102工作面日微震能級對比Fig.11 Comparison of 401101 and 401102 working face’s daily microseismic energy level

圖12 401101與401102工作面回采期間不同微震Fig.12 Different microseismics during mining of 401101 and 401102 working face

4.2 周期來壓

通過地面水平井壓裂后,產生的裂縫能夠貫穿直羅組和安定組下部巖層,使40～80 m范圍內巖層也能充分垮落,采空區垮落較為充分。此時,工作面液壓支架的工作阻力主要來自高位層以下破碎巖體自重應力作用下的“給定載荷”狀態,在這種狀態下,支架表現為壓力低、來壓不明顯的特征。401102工作面與401101工作面相比,周期來壓強度降低15%,來壓持續時間縮短61%,說明地面水平井壓裂對目標巖層起到了很好的卸壓效果。

表1支架壓力監測數據對比

5 結論

(1)通過CDEM數值模擬分析,地面水平井壓裂可以改變厚層頂板巖層破斷的塊體大小,使破斷的塊體大小得到降低,進一步降低工作面支承壓力。

(2)經現場實踐,地面水平井壓裂能夠使采面103J以上微震事件減少80%以上,大幅度降低采面周期來壓強度及持續時間,可有效弱化高位堅硬頂板,減少大能量微震事件的產生。

(3)地面水平井分段壓裂在沖擊地壓礦井的成功應用,表明該技術可有效弱化高位堅硬頂板,為實現沖擊地壓由井下防御治理到地面源頭消沖的突破提供技術支撐,可為類似地質條件下沖擊地壓礦井防沖工作提供借鑒。