煤矿井下水力压裂技术及在围岩控制中的应用

煤矿井下水力压裂技术及在围岩控制中的应用

摘要：煤矿井下水力压裂技术是非常重要的，该技术主要是坚硬顶板弱化和高应力巷道围岩卸压。针对煤矿水力压裂理论，结合国内的真三轴水力压裂试验，对压裂技术进行数据分析和研究。另外，根据水力压裂技术的过程及在围岩控制过程中的数据探讨和分析。

关键词：煤矿水力压裂技术围岩控制

水力压裂技术一直是煤矿井下的重要施工技术，尤其是在围岩控制方面起到非常重要的作用。根据下面对水力压裂技术的分析以及相关应用的探索，同时涉及水力压裂技术的设备进行着重分析强调，可以让相关人员更能抓住该技术的使用重点。除了围岩压裂的原理、参数，还需要对机具与施工工艺及压裂进行效果检测，还要根据岩体物理力学性质和岩体结构对施工方向和应力范围进行数据分析。

一、水力压裂技术及其理论研究

水力压裂技术是从1950年研发出来的，直到现在，该技术已经逐渐发展和成熟，作为常规低渗油气增透技术，在很多领域深受欢迎，例如非常规油气开采、页岩油气开发、煤层气开发、地应力测量、地热资源开发、核废料处理、CO2封存等领域，具有广泛的工业价值。本文也是针对煤矿井下领域的研究，水力压裂技术的应用效果主要体现在围岩控制和低渗透煤层的增透这两个领域。主要是针对回采工作面坚硬难垮顶板控制、高应力巷道围岩卸压及冲击地压防治。这种技术的实质是在钻孔中注高压水，在坚硬顶板中形成裂缝而弱化顶板，使其能及时垮落。但在试验初期，由于对水力压裂技术缺乏深入的认识，施工机具也存在较大问题，致使该项技术在很长一段时间内没有得到推广应用。

水力压裂技术理论国内外的学者都曾在油气系统地面钻井压裂、煤炭行业中应用过程中进行深入的分析，但在该技术上仍有很大的分歧，在水力压裂效果上不尽如人意。随着我国煤炭技术的发展以及煤炭行业的技术设施的配备，水力压裂技术也得到了大范围推广应用，促进了水力压裂技术理论的进一步研究。

二、水力压裂技术设备及压裂效果分析

下面分析压裂机具与设备，我们以煤炭科学研究总院开采研究分院开发的水力压裂机具为例进行介绍。

2.1横向切槽钻头

横向切槽钻头是根据坚硬顶板岩层特性研发的，这种KZ54型切槽钻头如下图所示。它的钻头外径为54mm，对于单轴压力强度在50～150MPa的范围内均可承受。

图一KZ54型横向切槽钻头

2.2跨式膨胀型封孔器

这种封孔器主要是由封孔器头、胶筒、中心管、封孔器连杆组成。它的胶筒是以水为膨胀介质，后用钢丝进行加固的橡胶材料制成。如果是针对不同的压裂段，这种封孔器可以持续进行高压地分段压。

2.3 高压注水泵。

高压注水泵的压力与流量应能保证钻孔被压裂，而且裂缝能扩展一定的距离（一般为20～50m）。选择最大泵压 60MPa 以上，流量80L/min 左右的注水泵，

能够满足一般压裂条件的要求。

2.4水力压裂使用的压裂泵

目前，大多数的压裂泵是乳化液泵，它的额定压力一般为 31.5MPa、额定流

量为400L/min 左右。三缸柱塞泵也可作为压裂泵，其最大工作压力50MPa，最

大工作排量1.5m³/min，这种三缸柱塞泵可以多档变速的功能，可以实现压力和

泵排量等参数的瞬时数据实时记录和历史曲线显示的功能。河南省煤层气开发利

用有限公司根据井下作业环境的实际情况，研制出可以在远距离操控下，更大流量、高压力的压裂泵组，最大功率可达315kW，最高压力可达 52.8MPa，更大程

度地满足了煤矿井下的作业需求。

2.5压裂效果分析

针对这些压裂设备工作，我们需要通过数据分析压力效果。其中包括压裂裂

缝的扩展形态、方向和距离。另外，还需要对裂缝扩展过程进行数据记录。监测

的方法有很多种，最简单的可以再压裂孔的不同位置打上检测孔来检测裂缝的扩

展情况。或者，通过分析压裂过程中水压变化曲线，也可初步判断裂缝扩展形态。初次之外，还有学者提出采用地球物理方法，如电法、微震法监测裂纹扩展，但

这些方法操作较为复杂，并没有得到广泛应用。

三、水力压裂技术在围岩控制中的应用

3.1顶板压裂设计

工作面坚硬顶板的垮落一般采用的是定向水力压裂技术，可以在最大程度上

削弱顶板的整体性，使采空区顶板分层垮落、垮落高度增加、垮落块度减小、碎

涨系数增加、垮落角增大、老顶初次来压及周期来压步距缩短、采空区悬顶减少、工作面端头三角区悬板面积减少，消除大面积冒落的恶性事故。除此之外，定向

水力压裂技术也可以通过钻孔注入水和压裂水控制岩尘、煤尘的生成量，还可以

节约截齿消耗量，对防止煤层自燃有利，避免给工作面的正常回采带来影响。

3.2定向孔定向压裂技术

定向孔定向水力压裂技术，它在很多方面与定向水力压裂技相似，它是通过

在水力压裂钻孔影响半径内施工定向钻孔实现定向水力压裂，定向孔的存在对水

力压裂孔产生的裂隙具有导向和加速扩展的作用，能促进增加自由面并引导裂隙

扩展方向，起了增加辅助自由面的作用，从而使整个压裂区域压裂后形成较大范

围的卸压增透区，可以调高机器的工作效率。

3.3高压脉动水力压裂

高压脉动水力压裂卸压增透技术的关键部分是高压，是通过供水泵来提供动

力源，将恒压水通过脉动泵作用后，输出具有周期性的脉冲射流，射流由峰值压

力和谷底压力构成脉冲波，建立振动场，形成的脉冲波的压力可以作用在煤层形

成周期性的张压应力，从而使煤层产生新的裂隙。这种方式脉动压裂比恒压压裂

所需压力更小，更能满足设备需求。

3.4井下点式水力压裂

还有一种压裂技术是井下点式水力压裂技术，这种技术与其他技术不同的是

该作用力作用在“点”上。首先，先利用封孔器钻孔分为数段，对这些一定顺序的

分段集中在一个“点”上，这种作用点比较密集，但可以通过很小的流量就能获得

更好的压裂效果。对压裂系统要求降低，还可以减小设备体积，减少空间利用，

非常适合井下巷道。

结束语

上述分析了水力压裂技术的原理和在围岩控制的应用，该技术除了利用岩层