定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板试验

TEST ON HARD AND STABLE ROOF CONTROL BY MEANS OF DIRECTIONAL HYDRAULIC FRACTURING IN COAL MINE
FENG Yanjun1 2，KANG Hongpu1
， ，2
(1. Mining and Designing Department，Tiandi Science and Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China； 2. Coal Mining and Design Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)
第 31 卷 第 6 期 2012 年 6 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.31 No.6 June，2012
定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板试验
冯彦军 1 2，康红普 1
， ，2
(1. 天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京
100013；2. 煤炭科学研究总院 开采设计研究分院，北京 100013)
摘要：针对煤矿坚硬难垮顶板控制的研究现状及存在的问题，进行定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板井下试验。 通过在压裂孔两侧布置监测孔和在压裂过程中实时监测泵压变化，深入分析煤矿坚硬难垮顶板水力压裂特点。试 验结果表明：(1) KZ54 型切槽钻头能够在坚硬岩层中预制横向切槽，可有效降低裂缝破裂所需压力；(2) 采用跨式 膨胀型封隔器可对岩层坚硬段分段逐次压裂，压裂过程中可在顶板中产生多条裂缝，从而有效弱化顶板；(3) 随着 压裂处与孔口距离的增大，裂缝破裂和扩展所需的压力也相应增大，裂缝的扩展半径最大可达 20 m；(4) 在压裂 过程中，由于岩层均匀性、渗透性、地应力场、岩层结构面等影响因素的变化，压力–时间曲线呈现出多种形态； (5) 岩石抗拉强度与地应力值较为接近时，岩石强度对水力压裂有较大影响。 关键词：采矿工程；坚硬难垮顶板；定向水力压裂；裂缝扩展；井下试验 中图分类号：TD 32 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2012)06–1148–08
2
井下试验
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岩石力学与工程学报
2012 年
切槽钻头，在岩层坚硬段预制横向切槽，钻头结构
表1 Table 1
岩性 石灰岩
顶板岩石力学参数

0.26
Mechanical parameters of rock in the roof
t /MPa
9.32 E/GPa 69.98 KIC/(MPa·m1/2) 2.21
Table 2 Geostress field parameters
H/m 140
h /MPa
4.65

N44.6° W
KZ54 型切槽钻头外径为 54 mm，钻孔直径为 58 mm，小于传统水力压裂及深孔预裂爆破钻孔直 径(王台铺煤矿深孔爆破钻孔直径为 89 mm)，从而 提升了在坚硬岩层中钻孔的速度。采用 KZ54 型切 槽钻头预制的横向切槽形状如图 3 所示。
第 31 卷
第6期
冯彦军等：定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板试验
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工业、水利水电工程、地热资源开发、核废料储存、
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引
言
地应力测量等领域，显示出广泛的工业应用价值。 K. Matsui 等[8]进行了定向水力压裂弱化坚硬顶板的 研究，并与爆破方法进行了比较，认为运用定向水 力压裂控顶的效果比较突出。 定向水力压裂作为经济有效的煤矿坚硬难垮顶 板控制技术，已在国外推广应用，可弥补爆破控顶 等技术的不足，实践证明是成功有效的[4]。国内已 经展开了定向水力压裂的相关研究：闫少宏等[9]论 述了水力压裂机制，认为在人工切槽处注入高压水， 可定向将坚硬老顶分层，从而降低顶板来压强度， 并通过试验验证了研究成果；邓广哲等[10]针对坚硬 煤体预裂存在的问题，进行了煤岩水压裂缝扩展行 为特性研究，建立了最大破坏压力与煤样裂缝扩展 变化过程的对应关系；黄炳香等[11]认为，煤岩体水 力压裂是通过水压使主裂缝扩展、翼型分支裂缝扩 展和吸水湿润作用，达到煤岩体结构改造、强度弱 化等工程需要，可应用于坚硬顶板控制、坚硬顶煤 弱化、局部集中应力解除等方面；黄炳香[12]结合水 力割缝和水力压裂的优势，提出在钻孔轴向或径向 预割出给定方向的裂缝，然后对预割裂缝进行水力 压裂的定向压裂技术。 可以看出，运用水力压裂弱化煤岩体的理论与 试验研究已经比较深入。然而，在定向水力压裂控 制煤矿坚硬难垮顶板的应用方面，尚无成熟的技术 工艺及完善的成套设备。 基于以上背景，本文选择具有典型坚硬难垮顶 板的晋煤集团王台铺煤矿进行定向水力压裂控顶试 验。实时监测了水力压裂过程，通过压裂过程中压 力及监测孔的变化，分析了坚硬难垮顶板的水力压 裂特点，以期为水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板提 供依据。
如图 2 所示。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
c /MPa
120
因素，2307 工作面地应力场参数见表 2。其中 H，
v ， H ， h ， 分别为岩层埋深、垂直主应力、
最大水平主应力、最小水平主应力和最大水平主应 力方向。应力符号采用压应力为正，拉应力为负。
表2
v /MPa
3.5
Baidu Nhomakorabea
1－钻头顶尖；2－钻头顶尖座；3－弹性圆柱销；4－切刀组；5－轴用 弹性挡圈；6－销轴；7－外套；8－主轴；9－平键；10－弹簧座；11－ 压缩弹簧
54 mm
地应力场是控制水力压裂裂纹扩展方向的主要
图2 地应力场参数
H/MPa
7.72
KZ54 型切槽钻头结构
Fig.2
Structure of KZ54 drill used for transverse notch
Abstract：In view of the research situation and existing problems involved with the hard and stable roof control in coal mine， the test of directional hydraulic fracturing employed for the roof control is presented； the characteristics of hydraulic fracturing in the roof are obtained via the monitoring boreholes decorated on both sides of the fracturing borehole and the pressure record during hydraulic fracturing. The test results show that：(1) The transverse notch is introduced successfully in the roof by means of KZ54 drill and is capable of reducing the pressure required for crack breakdown during the directional hydraulic fracturing. (2) The inflatable straddle packer adopted for hole sealing ensures the stepwise fracturing in the hard strata， the stepwise fracturing can create multiple cracks in the roof，which ultimately weakens the hard strata. (3) The breakdown pressure and propagation pressure change in proportion to the depth of fracturing location；the crack can propagate to a large scope radius of 20 m approximately. (4) The pressure versus time curve is recorded and presents a variety of forms potentially related to the rock uniformity，permeability，geostress field and rock structure surface. (5) The rock strength is the main factor that controls the fracturing process when the values of geostress and rock tensile strength are nearly identical. Key words：mining engineering；hard and stable roof；directional hydraulic fracturing；crack propagation； underground test
收稿日期：2011–11–25；修回日期：2012–04–26 基金项目：国家高技术研究发展计划(863)项目(2008AA062102) 作者简介：冯彦军(1980–)，男，2005 年毕业于太原理工大学采矿工程专业，现为博士研究生，主要从事煤矿顶板岩层控制方面的研究工作。E-mail： cristiarno@163.com
[4] [5-7] [3]
针对坚硬
难垮顶板展开了大量理论与试验研究，有力推动了 我国坚硬难垮顶板控制理论与技术的发展。 目前我国坚硬难垮顶板的控制基本是以爆破为 主，注水软化为辅的方法，然而该方法存在以下不 足
[3-4]
：
(1) 工程量和炸药量大、成本高、污染井下空 气； (2) 在高瓦斯矿井或煤层中应用爆破法控顶 时，需采取防止瓦斯或煤尘爆炸的措施； (3) 对于浅埋深情形，爆破控顶易对地面及周 边环境的安全构成一定威胁。如晋城王台铺煤矿， 采用超前深孔预裂爆破弱化工作面坚硬难垮顶板 时，爆破产生的震动对地面村庄产生明显影响，使 该矿无法正常生产，同时也造成了不良的社会影响。 水力压裂自提出以来，已应用于石油和天然气 2.1 试验地点与钻孔布置 试验地点选择晋煤集团王台铺煤矿 2307 工作 面，该工作面无直接顶，其老顶属于典型的强度高、 整体性强、自稳能力强的石灰岩顶板，顶板岩石的 力学参数见表 1。其中 c ， t ，E，， K IC 分别为 岩石的单轴抗压强度、单轴抗拉强度、弹性模量、 泊松比和断裂韧度。
在煤矿开采中，坚硬难垮顶板是指赋存在煤层 上方或薄层直接顶上面厚而稳定、坚硬的砂岩、砾 岩或石灰岩等岩层， 具有强度高、 节理裂隙不发育、 厚度大、整体性强、自承能力强等特点。煤层开采 后，坚硬难垮顶板大面积悬露在采空区而不垮落， 一旦垮落，一次垮落的面积大，有强烈的周期性来 压，且来压时有明显的动力现象，造成支护设备损 坏，甚至出现危及人身安全的恶性事故
[1-2]
。
我国煤层赋存条件复杂，属于坚硬难垮顶板的 煤层约占 1/3，且分布在 50%以上的矿区，如大同、 鹤岗、枣庄、通化、神府、乌鲁木齐、晋城、潞安、 兖州等；随着综合机械化采煤技术的普及，有超过 40%的综采工作面顶板属于来压强烈的坚硬难垮顶 板，特别是有薄层直接顶的坚硬顶板工作面分布更 广 。 针对坚硬难垮顶板，我国从 20 世纪 50 年代起 开始研究其控制，不仅在生产实践中积累了一定的 经验，而且在理论研究上也处于国际先进行列。最 为典型的是在大同矿区进行的“坚硬顶板条件下综 合机械化开采”科技攻关项目，深入研究了强制爆 破放顶与注水弱化 2 种坚硬顶板处理工艺，分别形 成了步距式深孔放顶、循环浅孔放顶、端头强制切 顶、超前深孔预爆破松动顶板、高压预注水和水力 压裂的技术和工艺 。随后，王金安等