顶板水力压裂工艺汇报
xx矿水力压裂总结-2009.9.15
义安矿水力压裂总结
为了探索一条适合于义安矿区域瓦斯治理路子，自8月13日到9月1日，义安矿FD003工作面进行了水力压裂增透技术试验。通过水力压裂实验，对实验后取得的效果进行了考察分析，对该技术应用过程中的一些注意事项进行了归纳和经验总结。在水力压裂的理论基础上，结合义安矿煤层的实际情况，提出水力压裂在义安矿应用过程中各个环节所存在的问题及需改进创新的地方，为以后在其他工作面的推广有很大的指导作用，使该技术在别的工作面应用时更高效，更规范，成功率更高。
一、工作面概况
FD001工作面位于义安井田中部，12采区中部，根据有关地质资料及12031轨道顺槽联络巷及中部车场实际揭露情况，本区水文地质条件简单，主要充水水源为顶板砂岩裂隙水。根据Ⅱ期三维地震及瞬变电磁资料，FD003轨道顺槽掘进至108m～156m有一块L7富水压异常区，150m～210m有一块O2富水异常区。该工作面二1煤层伪顶不发育，直接顶为砂质泥岩，局部发育，厚0～7m。顶板为细砂岩成分的英砂为主，厚2.0～14.6m。伪底不发育，直接底为粉（细）砂岩，厚3.5m。老底为L7灰岩，厚5.0m。本区煤层主要有二1煤层、二2煤层。均属半亮型煤。二1煤层底板标高－315m～－250m，平均煤厚6.10m，煤厚变化快，富含FeS2结核，Ad=21.42%，Sd=2.23%。二2煤层底板标高－300m～－290m，煤厚0.3m～0.7m，平均煤厚0.5m。根据地质勘探报告，本井田瓦斯涌出量较大，瓦斯
含量4.02～12.19m3/t，平均为7.22m3/t。
水力压裂实施方案
南桐矿业公司鱼田堡煤矿
34区-350m西抽放巷道高压水力压裂技术推广应用
实施方案
二〇一二年六月
目录
前言 (3)
1矿井概况及压裂条件 (3)
1.1矿井基本情况 (3)
1.2矿井生产系统现状 (3)
1.3地质特征 (4)
1.4压裂区概况 (6)
2、压裂工艺 (15)
2.1压裂参数选择 (15)
2.2压裂设备 (15)
2.3压裂孔 (16)
2.4压裂剂 (20)
3.安全措施 (20)
3.1防止高压事故措施 (20)
3.2防治瓦斯及顶板事故措施 (20)
3.3消防措施 (20)
前言
由于南桐矿业公司鱼田堡煤矿煤层透气性差，造成采用单一的穿层钻孔、水力割缝等工艺后预抽效果不理想，工程量大。同时部分区域受地质构造影响，以中风压为主的区域防突措施难以实施到位，造成较大的空白带。因此，鱼田堡煤矿将在3504W4段工作面顶板的矽质灰岩抽放巷道即34区-350m西抽推广应用“高压水力压裂技术”。以期望在保护层突出煤层中全面达到“增透、卸压、消突”的作用，从而真正实现快速达标、经济防突的目的。
1矿井概况及压裂条件
1.1矿井基本情况
鱼田堡煤矿隶属于重庆市能源投资集团南桐矿业公司。该矿地处重庆市万盛经济技术开发区。矿井位于重庆市南东面，方位152°，距万东镇4.0Km，距重庆市主城区130 Km。
矿井于1956年建矿，1959年正式投产，设计能力60万吨/年，2006年核定生产能力39万吨/年，现实际生产能力约33万吨/年。矿井开采古生代二叠纪乐平统煤系煤层，煤系厚80～100m，含煤6层，从新到老分别为1～6号煤层。井田内1～3号煤层不可采；4号、6号煤层稳定可采，5号煤层局部可采，其中4号煤层为主采层。
水力压裂综采工作面安全技术措施
一、工程目的
3251综采工作面回采时，由于顶板比较坚硬，采空区顶板无法自由垮落，在综采工作面端头三角区形成周期性悬顶，悬顶突然垮落，容易将采空区中的瓦斯挤出造成隅角瓦斯超限，经矿研究决定采用水力致裂控制技术解决上隅角采空区悬顶问题，为保证施工时人员安全，特编制本安全技术措施。
二、技术要求
1.分别在3251风巷超前支护段内靠近煤柱侧（锚棚支架腿子与梁子交点处附近，以便于操作为宜）和靠工作面煤壁侧（距梁头1000mm处，若巷道高度不满足气动锚杆（锚索）钻机施工，该距离可适当缩小）用气动锚杆（锚索）钻机竖直向上施工一排直径Φ=32mm，间距S=8000mm的钻孔，两排钻孔交错布置，
其中靠煤柱侧孔深L
1=13000mm，靠工作面煤壁侧钻孔深度L
2
=8000mm，钻孔长度、
间距等参数根据现场钻孔施工情况和实施水力致裂后情况进行适当调整。
2.在实施顶板水力致裂控制期间，需对风巷超前支护段（致裂段）加强支护，在原支柱间增加一根单体支柱，若影响钻孔施工，可改用短支柱与原超前支柱错排布置。
3.当遇地质构造、裂隙、断层时，该段不采用水力致裂，待工作面推移离地质构造带5m后再根据现场顶板情况实施水力致裂，同时，水力致裂钻孔不得施工在锚杆、锚索孔区域，防止误穿锚杆锚索眼孔影响压裂效果。
4.实施水力致裂期间，地测科对上部5633采空区进行逐段预测，并实施有效探放水，通风瓦斯科、通维队加强水力致裂期间瓦斯等有害气体监测。
5.水力致裂前，需在压裂泵站和钻孔之间各安设一台清晰可靠的声光信号以便操作联系。
6.若需进行起吊，则必须在起吊处施工专用起吊装置，严禁使用顶板支护
顶板水力压裂切顶卸压在动压巷道中的技术应用
245
我国煤炭虽然储量丰富但赋存条件较为复杂，近四成的煤层存在坚硬顶板。坚硬顶板是指煤层上方直接赋存或在厚度较薄的直接顶上方存在的坚硬岩层，其主要特点为硬度大、整体性好、分层厚度大等。坚硬顶板的存在会对矿山的开采造成严重的影响。由于坚硬顶板极难垮落，随着工作面的持续推进，巷道顶板形成大面积的悬顶，悬顶一旦垮落会产生一定的冲击载荷，造成采空区的瓦斯涌出，发生瓦斯爆炸事故。镇城底矿综采工作面留巷巷道在强烈动压影响下出现顶板沉降明显、两帮收缩量和底鼓量显著增加、锚杆索发生破断等问题，巷道需要反复巷修才能维持正常使用，同时顺槽巷道悬顶现象明显，影响工作面安全回采。为了解决巷道变形以及工作面上隅角悬顶问题，采用在煤柱侧顺槽巷道进行水力压裂的方式提前切顶，切落煤柱上方悬臂梁，剪断顶板岩梁应力的传递，减小巷道所受应力，消除悬顶现象，有效解决了动压影响留巷巷道大变形和悬顶问题。
1 矿井概况
镇城底矿位于西山煤田西北处，井田面积约16.63km 2，年设计生产能力为190万t。22305工作面开采的3#煤层平均厚度3.91m，平均倾角为4.6°； 煤层顶板以泥岩和砂质泥岩为主，局部含有软弱夹层，层理裂隙发育。22305 综采工作面，煤层厚度 5.52 m，平均倾角 4°；走向长 1714.9 m、倾斜长 220.7 m，面积378470.7 m2。工作面东部为相邻工作面采空区，西部为22301工作面采空区，北部无工作面，南部22302工作面采空区。22305巷为一次使用顺槽巷道，巷道悬顶上隅角瓦斯聚集，影响工作面安全回采，22305 巷为留巷巷道，受工作面回采动压影响，巷道变形较大，影响正常使用22305 巷断面为矩形，宽×高=5.2 m×3.9 m。
煤矿水力压裂切顶卸压工艺分析
2019年第12期（总第171期）ENERGY AND ENERGY CONSERVATION2019年12月技术研究
煤矿水力压裂切顶卸压工艺分析
韩军军
(山西煤炭进出口集团左权宏远煤业有限公司，山西左权032600)
摘要：在煤矿开采过程中，采空区坚硬顶板悬而不垮存在很大的安全隐患。为了消除这种隐患，常常采用水力压裂切顶来软化顶板进行卸压。简要介绍了水力压裂切顶卸压的原理，分析了其实现的工艺流程以及压裂钻孔的布置参数，以期为现场施工提供一定的技术参考。
关键词：采空区；坚硬顶板；卸压；水力压裂
中图分类号：TD322文献标识码：A文章编号：2095-0802-(2019)12-0102-02
Analysis on Pressure Relief Process of Coal Mine Hydraulic Fracturing
HAN Junjun
(Zuoquan Hongyuan Coal Industry Co.,Ltd.,Shanxi Coal Imp.&Exp.Group,Zuoquan032600,Shanxi,China)
Abstract：In the process of coal mining,there is a great safety hazard in the hard roof hung and no falling of the goaf.In order to eliminate this hidden danger,hydraulic fracturing chopping is often used to soften the top plate for pressure relief.This paper briefly introduced the principle of hydraulic fracturing and roof cutting pressure relief,and analyzed the process flow and the layout parameters of fracturing drilling to provide certain technical reference for on-site construction.
18402轨道巷顶板水力压裂切顶卸压技术研究
当代化工研究
Modem Chemical Research65 2021•04技术应用与研究
18402轨道巷顶板水力压裂切顶卸压技术研究
*于二强
(西山煤电股份有限公司西铭矿山西030052)
摘耍：18402工作面位于8#煤，直接顶为灰岩，同时顶板上部有多层餉砂岩和石灰岩，顶板坚硬稳定，同时初期巷道支护强度高，加之回采过程中退锚困难，造成工作面两端头悬顶面积大，18402工作面端头的悬顶长度可达20-30m,悬顶面积大，工作面端头悬顶面积大极易引起瓦斯积聚，给工作面的通风管理、正常安全回采带来很大餉风险，为此实施水力压裂切顶却压，能解决工作面端头悬顶问题.
关键词：坚硬顶板；水力压裂；切顶卸压
中国分类•号：TD文献标识码：A
Study on Hydraulic Fracturing and Roof Cutting and Pressure Relief Technology of18402
Track Roadway Roof
Yu Erqiang
(Ximing Mine,Xishan Coal and Electricity Co.,Ltd.,Shanxi,030052)
Abstract:18402working f ace is located in No.8coal,with limestone as its direct roof.At the same time,there are many layers of s andstone and limestone on the top of t he roofi which is hard and stable.At the same time,the initial roadway support strength is high.In addition,it is difficult to withdraw anchor in the mining process,resulting in a large hanging roof a rea at both ends of the working f ace.The hanging roof length at the end of18402working f ace can reach20-30m,and the hanging roof a rea is large,which can easily cause gas accumulation,which brings great risks to ventilation management and normal and safe mining of t he working f ace.Therefore,hydraulic f racturing and roof c utting and p ressure relief a re implemented to solve the p roblem of h anging roof a t the end of t he working f ace.
煤矿水力压裂总结报告
松藻煤电公司打通一煤矿
松软突出煤层高压水力压裂试验
总结报告
松藻煤电公司打通一煤矿
二零一一年九月
目录
摘要 (2)
1 前言 (5)
2 试验地点概况 (6)
2.1 工作面布置 (6)
2.2 试验地点的煤层瓦斯赋存情况 (6)
3 压裂设备选型及运输安装 (7)
3.1 压裂设备选择 (7)
3.2 设备运输及安装 (8)
4 钻孔设计及施工 (9)
4.1 压裂孔设计及施工 (9)
4.2 检验孔设计及施工 (13)
5 压裂实施 (14)
5.1 HTB500型泵压裂试验 (14)
5.2 BZW200/56型泵压裂试验 (16)
6 压裂效果考察 (17)
6.1 压裂围考察 (17)
6.2 抽采效果考察 (23)
7 结论 (30)
摘要
打通一矿为煤与瓦斯突出矿井，煤层透气性系数低，煤质松软，煤层瓦斯含量大，穿层钻孔施工过程中垮孔严重，瓦斯预抽非常困难，严重威胁矿井采掘安全。随着矿井向深部延深，瓦斯威胁日益加剧，因此矿积极推进“水治瓦斯”科技攻关，强化瓦斯抽采。矿井在成熟应用水力割缝技术基础上，开展了高压水力压裂技术试验研究。
本次水力压裂试验分两个阶段进行，累计压裂4个孔，压裂试验达到预期节点目标。试验第一阶段采用航天动力集团生产的HTB500型泵压裂2个孔（压1#孔，压2#孔）；试验第二阶段采用六合煤机公司生产的BZW200/56型泵压裂2个孔（压3#孔，压4#孔）。
压1#孔设计压裂M7煤层，累计注水量310.39m3，主泵压力17～41.7MPa，流量0.6～13.7m3/h之间，压裂过称中多次出现压力下降-流量上升过程，为检验压裂效果，在压裂孔倾向、走向方向累计施工检验孔14个，经取样检测得出：压1#孔沿煤层倾向最大压裂影响围是50m，沿走向最大影响围是70m。对压裂影响围的检验孔与常规钻孔抽放效果进行对比，结果表明：压裂后，钻孔瓦斯自然排放及抽采浓度、纯量均有大幅提高。自然排放条件下，压裂影响围检验孔排放浓度为78～95%，平均单孔瓦斯排放纯量提高2.5倍；在接抽条件下，压裂影响围钻孔抽采浓度提高40%左右，平均单孔瓦斯抽采纯量提高1.9倍。
水力压裂技术在煤矿坚硬难垮顶板中的应用
土木建筑 | CIVIL E N G I N E E R I N G
水力压裂技术在煤矿坚硬难垮顶板中的应用
刘昌益
(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710054)
摘要：基于煤矿采空区顶板厚度较大、硬度较高及睢以跨落所导致的冲击来压问题，文章以某矿51107工作面为工程背景，提 出了水乃压裂控制顶板技术，结合工程实际设计了相应的实施方案，通过对方案进行理论分析和数据观测，实践表明：水力 压裂技术在工作面的实施对坚硬难垮落的顶板岩层起到有效的弱化作用，同时还能够减小初次来压几周期来压的步距，对顶 板冲击来压的防治，对工作面的安全穗定生产起到了重要作用。
关键词：水力压裂技木；坚硬难垮顶板；控制技术：应用 文献标识码:A中图分类号:X752
文章编号：20964137 (2021) 08-108-02 DOI：10.13535/ki.10-1507/n.2021.08.44
Application of hydraulic fracturing technology in the hard and hard roof of coal mine
LIU Changyi
(Xi'an Research Institute Co., Ltd., China Coal Technology and Industry Group, Xi'an 710054, China)
Abstract:Based on the problem of impact and pressure caused by the thick and hard roof of goaf in coal mine,this paper puts forward on the technology of hydraulic fracturing control roof in 51107 working face of a coal mine.Through theoretical analysis and data observation,the practice shows that the hydraulic fracturing technology in the working face has played an effective role in weakening the hard and hard roof strata.At the same time,it can reduce the step of the first weighting period,prevent and cure the roof impact weighting,and ensure the safety and stability of the working face.
坚硬顶板水力压裂切顶卸压技术研究及应用
坚硬顶板水力压裂切顶卸压技术研究及
应用
摘要：我国国土辽阔，有着丰富的能源储量，但能源分布呈现的整体趋势为
多煤贫油少气，其中化石能源（煤炭资源）在我国能源主体中占据极其重要的地位。我国煤炭资源虽然储量丰富，但整体赋存条件复杂，约有四成的煤层存在坚
硬顶板问题。坚硬顶板是指巷道顶板由坚硬岩性岩层组成，在矿井正常开采过程中，由于坚硬顶板的存在，使得巷道变形严重，同时对留煤柱开采的矿山，由于
坚硬顶板的存在，造成留设煤柱宽度大幅度增加，严重浪费煤炭资源。目前我国
最常用的治理方法为切顶卸压，切顶的方法可分为爆破切顶、聚能切顶和水力压
裂切顶三种。此前众多的学者对爆破切顶及聚能切顶作过研究，对水力压裂切顶
方案研究较少，因此本文对水力压裂进行研究。
关键词：坚硬顶板；水力压裂；卸压技术；应用；
引言
随着矿井的开采年限不断增加，覆存较为简单的煤层逐步减小，煤矿资源开
采的重点逐步向着覆存条件较为复杂的煤层转化。坚硬顶板是矿井开采目前面临
的重要难题，我国约一半左右的煤层存在坚硬顶板问题，由于顶板岩性较为坚硬，使得采空区顶板极难垮落，并形成大面积的悬顶，大面积的悬顶一旦发生垮落极
易造成层工作面冲击地压，同时为了保证巷道的稳定性，在留煤柱开采的巷道，
大面积的悬顶使得煤柱留设宽度大幅增加，造成严重的资源浪费，在无煤柱开采
的矿井，大面积的悬顶同样需要投入较大的资金来维护巷道的稳定性，所以对坚
硬顶板的治理成为了一个热门的课题。
1水力压裂切顶机理
水力压裂切顶卸压是指通过布置钻孔垂深为煤层到老顶岩层的距离、一定间
距的钻孔切槽，在采空区侧上覆岩层预制切缝，钻孔注入高压水，采取“定点分
水力压裂技术在矿井坚硬顶板控制中的应用
299
随着，矿井采掘深度的不断延伸，在开采顶板坚硬煤层时，由于顶板难垮落，易形成大面积的悬顶，而悬顶的存在使得巷道围岩变形研究，一旦悬顶无法承载覆岩重量发生垮落则会造成较大的冲击波，严重威胁矿井的安全生产，针对坚硬顶板我国常见的治理方法多为爆破切顶，通过在坚硬顶板中转孔爆破达到顶板的预裂效果。水力压裂技术是一种通过高压注水从而达到预裂顶板的一种技术手段，较传统爆破切顶工作面顶板初次垮落步距与周期来压步距有所减小，且来压强度低，施工成本低等优点。本文以霍宝干河矿2-216工作面为工程背景，对工作面顶板难垮落的问题进行分析研究，以保证工作面的安全回采，同时也为矿井地质条件相类似工作面的坚硬顶板治理提供参考与借鉴。
1 矿井概况
霍宝干河矿位于临汾市洪洞县堤村乡干河村，井田面积35.56km 2，矿井生产能力为210Mt/a，霍宝干河矿2-216工作面位于+80水平一采区，平均埋深470 m，为倾向长壁式开采。由于2-216工作面走向长度为560m，主采煤层为2#煤层，煤层平均厚度为3.75m，煤层的平均倾角为9°，煤层整体较为稳定。工作面埋深较浅，顶板整体岩性坚硬，难垮落，易形成悬顶，为了保障工作面的安全开采，需要对工作面顶板进行治理，在经过充分考虑后选定采用水力压裂切顶技术。
2 数值模拟构建
利用数值模拟对水力压裂参数进行研究，选用abaqus数值模拟软件进行模拟，考虑到坚硬顶板面积较大，在一定程度上可以简化为有限个小单元，所以模型建立为尺寸为20m×20m的正方体，在模型中间施加钻孔，钻孔的直径为50mm，对模型进行网格划分，在进行网格划分时，充分考虑模型的计算精度及计算时间，在模型靠近钻孔位置进行细划分，单元格尺寸为1cm×10cm，在距离钻孔较远段适当粗划分，单元格尺寸为
18104材料巷水力压裂切顶卸压技术实践
2 号 煤 层 厚 0.50〜2.60 m,平 均 1.64 m,8 号煤层厚 度 1.40~2. 1 1 m,平 均 1.83 m。矿井采煤工作面采 用 倾 斜 长 壁 后 退 式 一 次 采 全 高 开 采 ，顶 板 管 理 为 全 部垮落法;采煤工艺为综合机械化开采，掘进工艺为 综 合 机 械 化 掘 进 ，采 掘 巷 道 采 用 锚 网 索 钢 带 支 护 ，开 拓岩巷采用锚网索喷浆支护。
2 坚硬顶板水力压裂技术可行性
小 迎 采 巷 道 动 压 的 影 响 ，需 要 对 该 厚 硬 中 粗 粒 砂 岩 进行水力预裂,破 坏 其 完 整 性 ，弱化其力学性能，促 使其断裂卸压。水力压裂切顶卸压的原理如图2 所 ,J、〇
i f i r 1 . . 1.1.. 1..1.....1!.... .. '巴 ~~： I I 1 1 I I 1 I I I I I 1 I 1 I I 111*i *1' it i *I* I* 11111*I* 11
根 据 18104工 作 面 的 地 质 状 况 可 知 ，煤层的厚 度变化区间为3. 0 0 ~ 7. 50 m，普氏 硬 度 系 数 为 3;老 顶为各粒度的砂岩，厚 度 均 值 为 11.97 m;直接顶为 泥 岩 ，厚 度 均 值 为 2.45 m,两种顶的普氏硬度系数 分 别 为 6 和 4 。表 1 显示出岩层的力学参数。
薛虎沟矿水力压裂切顶卸压技术应用研究
315
1 前言
煤炭资源作为我国重要的能源依仗，多年来其开采量一直位居世界前列。据统计在我国一次能源消耗中，煤炭资源的消耗量占比高达70%以上，可以看出煤炭资源对我国国民经济的重要性。在煤炭资源开采过程中，众多难题困扰着煤炭资源的开采，其中坚硬顶板问题是矿井面临的重要难题，由于坚硬顶板的存在使得巷道围岩变形量加剧，所以对于坚硬顶板进行治理对于我国煤矿开采十分重要。目前针对坚硬顶板的治理方案均为切顶卸压，切顶的措施可以为爆破切顶[1]、静力切顶、水力切顶[4]，此前大多学者的研究主要集中在爆破切顶方向，对于水力切顶方案对的研究较少，因此本文对水力压裂切顶卸压进行研究，利用现场试验对水力切顶卸压的可行性进行分析，为矿井坚硬顶板的治理提供一定的参考与借鉴。
2 矿井概况
薛虎沟矿位于山西运城河津市下化乡陈家岭村，井田面积56.3km 2，矿井年设计生产0.8Mt，核定生产能力为0.9Mt，2-1082位于该矿南五盘区，现主要开采山西组2#、3#煤层，主要构造形式为单斜延伸构造，煤层平均倾角4.7°左右。薛虎沟矿2-1082工作面主采2#煤，2#煤层为黑色，条痕褐黑色，金刚光泽，中宽条带状结构，断口参差状、阶梯状，内生裂隙发育，层状构造。2#煤层普氏硬度为1.4，倾角0°～ 3°，煤层平均厚度为3.6m，巷道顶底板岩性如表1所示。
表1 巷道顶底板岩性表
煤层顶底板情况
顶底板名称
岩石名称厚度/m 岩性特征
基本顶石灰岩 6.8灰-深灰色，中厚层状，不
规则裂隙发育。直接顶砂质泥岩0.3灰-黑灰色，中-厚层状。直接底砂质泥岩 1.14黑灰色，中厚-厚层状。基本底
坚硬顶板水力压裂切顶卸压技术研究及应用
295
1 引言
坚硬顶板是矿井开采目前面临的重要难题，我国约一半左右的煤层存在坚硬顶板问题，由于顶板岩性较为坚硬，使得采空区顶板极难垮落，并形成大面积的悬顶，大面积的悬顶一旦发生垮落极易造成层工作面冲击地压，同时为了保证巷道的稳定性，在留煤柱开采的巷道，大面积的悬顶使得煤柱留设宽度大幅增加，造成严重的资源浪费，在无煤柱开采的矿井，大面积的悬顶同样需要投入较大的资金来维护巷道的稳定性[1]，所以对坚硬顶板的治理成为了一个热门的课题。目前针对坚硬顶板的治理的方法主要为切顶卸压，通过对顶板进行预裂，达到正常垮落的目的。本文利用数值模拟软件对坚硬顶板水力压裂技术进行研究，为矿井坚硬顶板的治理及矿井安全开采提供一定的保障。
2 数值模拟建立及机理分析
在矿井开采过程中，随着开采面积的增大，使得采空区覆岩得自重逐步转移至围岩，此时采空区的周围相邻位置构成支撑压力区域，在回采应力作用下形成不同的应力区域，分别为原岩应力区、应力增高区及应力稳定区。在超前支撑区域护巷煤柱载荷快速增长，此时巷道的变形量增大，巷道出现顶板下沉、底板底鼓及两帮片帮现象。为了降低压力承载区域的应力，减少巷道出现的应力集中，采用水力压裂技术进行切顶卸压[2]。
水力压裂切顶卸压技术主要是在回采前对顶板进行机械钻孔，将钻好的孔进行密闭，利用高压射流水对钻孔进行注液，当钻孔内部压力大于钻孔起裂压力时，此时钻孔发生起裂，沿着钻孔会形成裂缝，随着注液时间的继续增大，此时裂缝随着水压的注入发生扩展，从而达到降低顶板完整性，达到随采随落，降低侧向支撑压力，提升巷道稳定性的目的。为了更好的对水力压裂切顶卸压进行一定的研究，利用数值模拟软件对边界排水巷及水力压裂卸压的机理进行研究。
煤矿生产中对水力压裂切顶卸压技术探讨
煤矿生产中对水力压裂切顶卸压技术探讨
发布时间：2023-01-28T09:14:55.357Z 来源：《中国建设信息化》2022年第18期作者：徐启雷
[导读] 随着开采深度的加深与开采高度的增大，矿井煤炭开采环境及岩土力学环境愈加复杂，地应力、瓦斯含量均有显著提高徐启雷
安徽省淮北市濉溪县南坪镇任楼煤矿生产技术部，安徽235123
摘要：随着开采深度的加深与开采高度的增大，矿井煤炭开采环境及岩土力学环境愈加复杂，地应力、瓦斯含量均有显著提高，致使矿井冲击地压危险性及煤层开采突出危险性明显增大，严重威胁着煤矿的安全高效生产。基于此，本文就煤矿生产中对水力压裂切顶卸压技术进行简要探讨。
关键词：煤矿生产；水力压裂；卸压技术；
1水力压裂防灾基本原理
煤层顶板煤岩由诸多复杂的矿物质组成，水力压裂过程中，受水渗透作用的影响，其顶板煤岩结构、理化性质将发生明显变化，首先部分岩土矿物遇水膨胀，致使岩体矿物颗粒的黏结力降低，强度降低;其次，煤岩属于多孔介质材料，内部存在固有缺陷，在水压作用下，其内部物质颗粒间的摩擦、应力会出现不同程度的衰减，且在水的渗流作用下，煤岩内部节理、裂隙进一步扩展、贯通，整体结构受到破坏，强度也会降低。顶板水力压裂技术主要是通过水压及水渗流作用影响煤岩强度参数，实现对坚硬顶板的弱化控制，通过压裂作业切断上方顶板与实体煤侧顶板连接，切断上覆岩层应力向煤柱侧传递的通道，切断应力的传播途径，从而实现应力的转移卸压，达到对工作面巷道的保护效果。顶板水力压裂技术就是将大量含沙的高压水注入煤体，迫使煤体发生变形破裂形成贯通裂隙，既可以有效提高瓦斯抽放效率，增加煤层渗透性，同时也能改变煤的物理力学性质，增加煤体塑性，以减弱其积蓄能量，并减缓其动力失稳时的能量释放速率，从而起到防治煤与瓦斯突出和冲击地压的作用。根据顶板岩性及厚度设计合理的钻孔位置、范围和层位，在空间和时间上提前实施有效的水力预裂，预先切断关键层的应力及弹性势能传播路径是防治煤岩动力灾害的关键。
水力压裂弱化顶板护孔技术
水力压裂弱化顶板护孔技术
薛江达， 孙永康， 王军， 张庚
（太原理工大学 安全与应急管理工程学院，山西 晋中 030600）
摘要：煤矿工作面单翼布置顺序开采的情况下，工作面顺层钻孔容易受到邻近工作面采动支承应力影响导致钻孔失效。现阶段的护孔研究集中在增强钻孔本身强度，未针对影响钻孔稳定性的根本性因素提出解决措施。针对上述问题，提出了一种水力压裂弱化顶板护孔技术。通过水力压裂弱化顶板，减小作用在邻近工作面煤体上的采动支承应力峰值，阻断高支承应力向顺层钻孔周围煤体的传递，并在顺层钻孔内全程下筛管，保证煤体逸散出的瓦斯可以进入顺层钻孔。采用数值模拟分析了水力压裂弱化顶板前后顺层钻孔周围煤体垂直应力和塑性区变化规律，结果表明：通过水力压裂弱化顶板，顺层钻孔周围煤体的垂直应力峰值由21.2 MPa 降低为9.1 MPa ，煤体塑性区范围由19 m 减小为11 m 。根据数值模拟结果确定的水力压裂参数进行了现场测试，结果表明：采用水力压裂弱化顶板护孔技术后，钻孔瓦斯抽采体积分数平均值由3.6%提高到14.1%，瓦斯抽采混合流量平均值由1.28 m³/min 降低为0.464 m³/min ，未出现大范围顺层钻孔内发生煤体氧化而产生CO 的情况。因此，水力压裂弱化顶板护孔技术可有效避免钻孔失效漏气，提高钻孔抽采效果，保证钻孔抽采安全。
关键词：水力压裂；弱化顶板；采动支承应力；顺层钻孔；塑性区中图分类号：TD712.6 文献标志码：A
Hydraulic fracturing weakening roof borehole protection technology
定向水力压裂技术弱化坚硬顶板效果分析
Ｉ 一
４ ９ ３ １ ４
ｌ
端 头支 架 支 护 ，工 作 面 顶 板 布 置 １ １ ８架 Ｚ Ｚ ８ ０ ０ ０—
１ ７ ／ ３ ２型支 架 支护 ， 其中 １ １ ７号 架 、 １ １ ８号 两 架 支 护
图１ Ｘ Ｖ ５ ３ ０ ２切眼第一排水力压裂钻孔布置 （ ｍｍ）
端 尾顶 板 。两巷 道 巷道 超 前 ２ ０ ｍ 采 用单 体 液 压 戴 帽点 柱加 强支 护 ， 单体 柱柱 头使用 钢 丝绳进 行 连锁 ，
起 到 防倒 的作 用 。
２ ． ２ Ｘ Ｖ ５ ３ ０ ２切 眼第二 排水 力压 裂钻 孔布 置方 式 切 眼第二 排水 力 压 裂 钻孔 布置 方 式 ： 钻 孔 也 均 垂直 于 Ｘ Ｖ ５ ３ ０ ２切 眼布 置 ． 并 在切 眼煤壁 侧 钻 孔 ， 钻
光泽 ， 亮煤 为 主 ， 含 一层 ０ ． ２ ３ ｍ厚 的较 稳定 夹矸 ， 由 煤层底板 向上 依 次 为 １ ． ５ ５ ｍ煤， ０ ． ２ ３ ｍ夹矸，
０ ． ６ １ Ｔ Ｉ 煤 。煤 层倾 角 为 １～８ 。 ， 平均 ３ 。 ， 变 异 系数 为 ３ ０ ％， 煤 的 容重 为 １ ． ５ ｔ ／ ｍ ， 可采指数为 １ ， 稳 定 程
关键 词 ： 定 向水 力压 裂： 坚硬顶板 ； 效果分析
中图分类号 ： Ｔ Ｄ ３ ２ ７ ． ２ 文献标识码 ： Ｂ 文章 编 号 ： １ ０ ０ ５ — ２ ７ ９ ８ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ５ — ０ ０ ６ ２ ． ０ ３
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二、水力压裂工艺介绍
2、水力压裂钻孔设计依据 15#煤水力压裂层位：根据15#煤综合柱状图及钻孔窥视，煤层顶板 垂高14m有一层14#煤，考虑最大程度削弱直接顶（0—10m）的整体性， 在5—17m之间的岩层进行压裂。
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二、水力压裂工艺介绍
3、水力压裂钻孔设计
9#煤切眼压裂钻孔设计： ➢压裂钻孔-A，钻孔长度为18m，倾角为30°，垂深9m。 ➢压裂钻孔-B，钻孔长度钻14m，倾角为45°，垂深10m。 ➢切眼布置7个B孔，钻孔间距20m；超前布置A、B孔，钻孔间距10m。
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三、水力压裂工艺应用情况
4、水力压裂工艺优点
水力压裂工艺采用高压水为动力，相比较爆破作业安全风险明显降 低。 水力压裂作业过程影响范围小，无需大面积设置警戒。 上下隅角悬顶面积小，便于瓦斯管理。
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敬请各位专家批评指正！
压裂钻孔-S 25m
I-I
工作面煤体 压裂钻孔-L
33m
切眼
II-II
30°m 45°
18m
工作面煤体
切眼
153204
5m
25m
20m
20m
压裂钻孔-H
来自百度文库
煤柱
20m
45.4m
20m
20m
20m
153203
5m
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煤柱
153204巷
I
压裂钻孔-L 压裂钻孔-S
II
3m 10m 10m 10m 10m 10m 10m 10m 10m 10m 10m 10m 10m 10m 10m 10m 10m 10m 2m
9#煤切眼水力压裂钻孔布置图
153302 切眼
45°
二、水力压裂工艺介绍
3、水力压裂钻孔设计
15#煤切眼压裂钻孔设计： ➢压裂钻孔-H，钻孔长度为25m，倾 角为45°，垂深17.7m，间距20m。 I ➢压裂钻孔-S，钻孔长度钻25m，倾 角为45°，垂深17.7m，间距20m。 II ➢压裂钻孔-L，钻孔长度钻33m，倾 角为30°，垂深16.5m，间距20m。
压力表 水压仪
高压泵
煤层
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二、水力压裂工艺介绍
4、水力压裂工艺流程
注水压裂工艺流程及注意事项： 封孔、注水压裂采用倒退式压裂法，即从钻孔底部向外依次进行压裂，一 般压裂次数根据孔深控制在5-7次，每次控制长度3-4m，前三处压裂时间一般 不少于30min，后几处压裂时间一般不少于20min，沿与裂纹方向形成横向裂 纹，裂缝扩展半径约为20-25m。 若巷道顶板、煤帮或钻孔中有水渗出或冒出时，应适时停止压裂，压裂结 束。 压裂结束后，对注水钢管和封孔器泄压。
监测 2014. 2014. 2014. 2014. 2014 日期 3.26 4.1 4.2 4.7 .4.9
悬顶长 度/m
4
2
1
3
3
监测 2014. 2014. 2014. 2014. 日期 4.14 4.16 4.21 4.30
悬顶长 度/m
1.5
0
2
4
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三、水力压裂工艺应用情况
3、水力压裂实施效果 水力压裂工艺实施后的来压步距：
FKss-45/40 ET1.0 SD-60 Φ4
CXK6
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单位
数量
额定压力MPa
台
2
62
m
200
66
根
50
100
套
20
60
个
2
个
2
m
160
120
台
1
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三、水力压裂工艺应用情况
1、以往采取的措施
初采初放期间
支架安装时对切眼退锚 切眼深孔预裂爆破
正常回采期间
进回风超前退锚 强制放顶爆破措施
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三、水力压裂工艺应用情况
2、水力压裂实施过程
2013年后半年开始水力压裂试验准 备工作，2014年初在151305综采工作 面开始试验水力压裂工艺，初采期间 工作面在推进14m后直接顶垮落到位， 一周内完成初采，后续在15#煤综采 工作面推广应用。
151305工作面支架后方悬顶长度 监测数据
煤柱
153203巷
20m 20m
43m
20m 20m
25m 18m
二、水力压裂工艺介绍
3、水力压裂钻孔设计
15#煤顺槽压裂钻孔设计： ➢压裂钻孔-H，钻孔长度为25m， 倾角为45°，垂深17.7m。 ➢压裂钻孔-S，钻孔长度钻25m， 倾角为45°，垂深17.7m。 ➢压裂钻孔-L，钻孔长度钻33m， 倾角为30°，垂深16.5m。
和 胶管，对封孔器加压至10Mpa ，从而达到封孔的目的。
坚硬稳定岩层 注水管 胶管 封隔器 封隔段
压力表
煤层
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二、水力压裂工艺介绍
4、水力压裂施工工艺
注水压裂 将高压注水泵和注水管连接，对封孔段进行注水压裂，压裂过程中，
利用水压仪监测泵压的变化。
封隔器 封隔段 坚硬稳定岩层 注水管 胶管
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顶板水力压裂工艺汇报
汇报单位：**煤矿 时 间：202*年7月
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目录
1 **煤矿采煤工作面概况
1.
2 1水力压裂2 工艺介绍 3 水力压裂工艺应用情况
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一、**采煤工作面概况
（一）9#煤层采煤工作面概况 1、煤层及顶底板岩性 直接顶：为粉砂岩，厚3.9m。普氏硬度系数为3，抗压强度为31.3MPa ，抗剪强度为8.4MPa。 基本顶：为细砂岩，厚5.3m；普氏硬度系数为6，抗压强度为28.8MPa ，抗剪强度为4.76MPa。 煤层厚度：平均厚度1.60m。 直接底：石灰岩，厚1.0m；普氏硬度系数为7，抗压强度为41.1MPa， 抗剪强度为4.74MPa。 基本底：细砂岩，厚2.8m；普氏硬度系数为6，抗压强度为28.8MPa， 抗剪强度为4.76MPa。 2、巷道布置 9#煤层综采工作面采用“U”型通风系统，进回风顺槽巷道长度1350米 ，掘进断面为矩形（4.2m×2.4m），切眼巷道长度180米，断面为矩形（ 6.1m×2.3m），均采用锚杆、锚索、钢带联合支护。
二、水力压裂工艺介绍
5、水力压裂系统主要施工机具
序号
一 1 2 3 二 1 2 3 4 三 1
部件名称
高压注水系统 三柱塞泵 高压胶管
注水钢管及密封件 封隔系统 封孔器 储能器 手动泵
高压树脂胶管 智能窥视系统 矿用窥视仪
型号和规格
3ZSB80/62-90 R15-6sp-13-66Mpa
ZS1.5
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钻孔封孔
注水压裂
施工钻孔 使用ZDY420型架柱式液压钻机施工水力压裂钻孔（钻头直径为
56 mm）。 钻孔窥视
利用智能钻孔电视成像仪进行窥视，通过对岩面完整性分析， 选择钻孔压裂合适位置。
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二、水力压裂工艺介绍
4、水力压裂工艺流程
钻孔封孔 利用注水钢管将跨式膨胀型封孔器推入钻孔压裂位置处，连接手动泵
****
二、水力压裂工艺介绍
1、水力压裂理论依据 断裂力学：研究材料和工程结构中裂纹扩展规律。 水力压裂：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。
****
二、水力压裂工艺介绍
2、水力压裂钻孔设计依据 9#煤水力压裂层位：根据9#煤综合柱状图及钻孔窥视，直接顶岩性 为粉砂岩，厚度为3.9m；老顶岩性为细砂岩，厚度为5.3m，考虑最大程 度削弱顶板（0—9m）的整体性，在2—10m之间的岩层进行压裂。
压裂钻孔-H
A-A
153204巷
45°
10m 10m
压裂钻孔-H
煤柱
10m 10m 10m 10m
压裂钻孔-S
B-B
45°
25m 18m
18m
25m
45°
18m
1m
153203
压裂钻孔-H
35m 1m
153203
30°
18m
工作面煤体
压裂钻孔-L
工作面煤体
1m
153204
C-C
35m
A
1m
153204
****
一、**采煤工作面概况
（二）15#煤层采煤工作面概况 1、煤层及顶底板岩性 老顶、直接顶：石灰岩，厚9.8m，普氏硬度8，抗压强度41.1MPa、抗 剪强度4.74MPa。 煤层厚度：平均厚度2.23m。 直接底：铝质泥岩，厚4.0m，普氏硬度2，抗压强度16.4MPa、抗剪强 度3.17MPa。 老底：粉砂岩，厚6.8m，普氏硬度3，抗压强度31.3MPa、抗剪强度 8.4MPa。 2、巷道布置 15#煤层综采工作面采用“U”型通风系统，进回风顺槽巷道长度1330 米，掘进断面为矩形（5m×2.6m），切眼巷道长度180米，断面为矩形 （7.4m×2.6m），均采用锚杆、锚索、金属网、钢带联合支护。
直接顶初采来压步距平均为13.0m。
工作面矿压 观测结果
基本顶初采来压步距平均为30.1m。 基本顶周期来压步距平均为16.5m。
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三、水力压裂工艺应用情况
3、水力压裂实施效果 在工作面切眼及进回风顺槽实施水力压裂工艺后，顶板分层次有序 垮落，采空区悬顶面积达到了有效控制，有效切顶，保护了两帮及工作 面支护安全。 初采期间未发生过瓦斯超限。 在工作面进回风顺槽水力压裂实施后，对顶板进行了有效切顶，回 采过程中顶板压力及时释放，相邻巷道的底鼓量显著减小，降低了巷道 维护工程量。
153203巷
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煤柱
C
B
10m 10m 10m 10m 10m 10m 10m 10m 10m
压裂钻孔-L
压裂钻孔-S
10m 10m 10m 10m 10m 10m 10m 10m 10m
压裂钻孔-H
煤柱
C
B
1m
1m
153302切眼
孔口位置
A
二、水力压裂工艺介绍
4、水力压裂工艺流程
施工钻孔
钻孔窥视