水力压裂技术在采面顶板管理中的应用.pdf

总第2 1 3 期2023年第8 期生产与应用摘要：针对1 5 1 3 0 5 综采工作面顶板坚硬、难以垮落等问题，提出采用水力压裂技术对顶板进行弱化，破坏顶板岩体稳定性，降低采空区顶板悬空面积。依据采面现场情况，设计采面内、回采巷道内水力压裂钻孔布置方案，并进行工程应用。现场应用后，1 5 1 3 0 5 综采工作面回采期间采空区顶板可及时落，最大悬空范围控制在4 m4m以内，取得较为显著的顶板弱化效果；同时由于采空区顶板及时垮落，可减少采空区瓦斯外溢量。关键词：水力压裂；坚硬顶板；采空区；矿压显现中图分类号：TD322+.10引言井工开采是煤炭主要开采方式,其中开采煤层中超过1/3 的顶板为坚硬顶板。当回采煤层为厚度大、完整性好、难以垮落顶板时，导致采空区悬空面积偏大,矿压显现及瓦斯涌出等异常 1-3 。采用顶板弱化技术对坚硬顶板进行处理，可降低顶板完整性及强度，实现随采随垮、降低采空区悬顶面积效果，现阶段常用的顶板弱化技术包括有深孔预裂爆破、水力压裂、CO,致裂等,现场均有较好的应用效果 1-6 。水力压裂通过注水钻孔、高压泵及注水管路等向坚硬顶板注入高压水，压裂期间不会产生有害气体或者导致CO,超限等问题,在施工便捷性、安全性等优势较为显著 7-9 。山西化工Shanxi Chemical Industry水力压裂技术在采面顶板管理中的应用杜国凯（山西焦煤汾西矿业(集团)双柳煤矿，山西柳林0 3 3 3 0 0)文献标识码：A2水力压力技术应用2.1水力压裂布置2.1.1采面钻孔布置采面水力压裂钻孔布置，如图1 所示。钻孔用直径5 6 mm钻头施工。钻孔有两种类型，分别为压裂钻孔-S，（孔深2 5 m、仰角4 5）压裂钻孔-L（孔深33m、仰角3 0）,压裂钻孔间距1 0 m。采面水力压裂Total 213No.8,2023D0I:10.16525/14-1109/tq.2023.08.045文章编号：1 0 0 4-7 0 5 0(2 0 2 3)0 8-0 1 1 8-0 24煤柱151209巷压裂钻孔，压裂钻孔-s文中就以山西某矿1 5 1 3 0 5 综采工作面回采为背景，通过采用水力压裂技术对回采的1 5#煤层坚硬顶板进行弱化处理，有效降低了顶板悬空面积以及采面矿压显现，为煤炭安全高效开采创造良好条件。41工程概况山西某矿1 5 1 3 0 5 综采工作面回采的1 5#煤层厚度1.7 9 2.4 5 m(平均2.2 4 m）,埋深3 5 7 m，与上覆9#煤层间距在6 5 8 0 m间。1 5#煤层赋存较为稳定，含04层夹研，夹研厚度累积0.3 0.7 5 m。1 5#煤层底板多为泥岩，少数为粉砂岩；顶板为K2石灰岩，局部为薄层黑色泥岩。15#煤顶板直接顶为致密坚硬的石灰岩,厚层稳定,强度6 8 1 1 2 MPa,属于坚硬顶板。151305综采工作面切眼斜长1 7 5 m、推进长度1560m,开采时初次来压步距2 5 3 0 m、周期来压布距2 3 3 0 m;采面回采后顶板冒落带、裂隙带发育高度分别为5.6 8.9 m、2 4.5 3 2.5 m。采面回采期间，采空区顶板悬空面积过大,不仅增加回风隅角瓦斯涌出量，而且导致液压支架矿压显现异常、采面巷道变形量大。因此，提出用水力压裂技术弱化顶板，以便提高采面顶板管理质量。收稿日期：2 0 2 2-0 8-0 4作者简介：杜国凯，男，1 9 8 7 年出生，毕业于重庆大学，本科，工程师，从事采煤技术相关工作。151210巷煤柱1-1平面图压裂钻孔-SoS工作面煤体1-2I-I剖面图压裂钻孔-L33m工作面煤体切眼1-3-I 剖面图图1 采面内水力压裂钻孔布置示意图I-1切眼I-I2023年第8 期杜国凯：水力压裂技术在采面顶板管理中的应用119.时先钻进、压裂L钻孔，后钻进、压裂S钻孔。2.1.2顺槽钻孔布置顺槽内水力压裂钻孔布置，如图2 所示。钻孔均用5 6 mm钻头钻进，顺槽内水力压力钻孔分为压裂钻孔-H(孔深2 5 m、仰角4 5）、压裂钻孔-S(孔深18m、仰角4 5）、压裂钻孔-L（孔深3 5 m、仰角30）。顺槽内钻孔间隔设计为1 0 m，当顶板岩层可及时垮落时可将压裂钻孔-H间距调整为1 5 m。具体钻孔钻进、压裂顺序为：先钻进、压裂钻孔-L,其次钻进、压裂钻孔-S,最后钻进、压裂钻孔-H。151209巷44A4444151210巷A10m10m10m10m10m10m2-2A-A剖面图压裂钻孔-H压裂钻孔-S25 m三1m151210压裂钻孔-H25m1 m151210图2 川顺槽水力压裂钻孔布置2.2压裂钻孔打设及开槽1)钻孔采用ZDY钻机、配合专用钻头在1 5#煤层上覆石灰岩、粉砂岩等坚硬岩层中钻进，钻头直径为5 6 mm，钻孔施工参数按照设计参数进行。2)完成钻孔施工后，采用钻孔窥视仪探测围岩裂隙扩展、结构等情况，并根据窥视结果决定横向开槽位置,开槽用KZ54特殊钻头，在制定位置通过开槽钻头形成超过孔径一倍的楔形槽。3)开槽应选择坚硬顶板位置，当钻头位于钻孔底部时适当降低钻进速度，当钻进至底部时适当回退钻杆并施加5 MPa压力缓慢推进，使得开槽钻头缓慢张开，避免钻头受到较大冲击力作用。4)钻孔开槽时应密切关注钻孔出水情况,开槽完成后撤回开槽钻头，换普通钻头继续钻进至下一开槽位置，如此反复直至水力压裂钻孔施工完成。5)水力压裂钻孔、开槽等工作全部完成后，用静压水反复冲洗钻孔。煤柱B10m10m10m压裂钻孔-S压裂钻孔-L10ml0m10m10m10m10m10ml10m10ml压裂钻孔-H煤柱2-1平面图压裂钻孔-H煤柱工作面煤体2-3B-B剖面图压裂钻孔一L35mC-C工作面煤体1512092-4C-C剖面图6)在钻孔钻进时应适当降低钻机给进压力、给进速度，确保钻孔直线度，便于后续封隔器推入。水力压裂施工主要涉及钻孔钻进、开槽、钻孔封孔以及高压水压裂等环节，具体采面坚硬顶板水力压裂使用的主要设备,如表1 所示。表1 主要施工机具4序号123456孔口7位置8CB1512091m产品名称三柱塞泵钻机开槽钻头开槽刀片封孔器储能器手动泵注水钢管及密封件A91011A-A3现场应用效果分析工作面液压支架后方采空区最大悬顶长度监测数据，如表2 所示。从监测结果看出，在水力压裂区内回采时采空区顶板悬空面积最大为4 m4m，悬空B-B面积整体较小，采空区顶板基本实现随采随垮，有效m解决了采空区顶板悬空面积过大引起的矿压显现异常、瓦斯涌出量大等问题。具体在水力压裂区域内推进时,水力压裂在坚硬顶板弱化处理中取得较为显著成果。表2 工作面支架后方悬顶长度监测数据监测2019-2019-2019-2019-2019-2019-2019-2019-2019-日期03-2604-0104-0204-0704-0904-1404-1604-2104-30悬顶长度4/m4结语采用水力压裂技术对1 5 1 3 0 5 综采工作面坚硬顶板进行弱化,降低顶板稳定性、实现即时垮落。依据采面现场情况在采面内、回采巷道内布置水力压裂钻(下转第 1 2 5 页)规格型号JC3090ZDY1200KZ54FKss-45/40ET1.0SD-60ZS1.5高压胶管R15-6sp-13-66mpa树脂胶管4全景电子窥视仪CXK621331.50242023年第8 期王，伟：水力压裂在采煤工作面初次放顶中的应用125Application of Hydraulic Fracturing in the First Caving of Coal Mining FacesWang Wei(Shanxi Coking Coal Fenxi Mining(Group)Shuangliu Coal Mine,Liulin Shanxi 033300,China)Abstract:When the roof of a mining coal seam is hard,the initial and periodic pressure steps are relatively large.During the pressureperiod,the rock pressure shows significant signs and is often accompanied by problems such as abnormal gas emission and coal wallspalling,which affects the production of the mining face.The roof of the 5#coal seam in a certain mine in Shanxi is composed of hardmedium coarse sandstone and limestone.During the mining process,there are problems such as large weighting step,significant rockpressure manifestation,and large gas emission from the goaf.Therefore,it is proposed to apply hydraulic fracturing technology to thetreatment of hard roof.Taking the 3506 fully mechanized top coal caving face as an engineering example,the layout plan of hydraulicfracturing driling is designed and applied in engineering.After on-site application,the strength of the roof of the mining face hassignificantly decreased,and the initial and periodic pressure steps of the mining face have been reduced to 3038 m and 2835 mrespectively,which can create good conditions for the initial mining of the mining face.Key words:coal mining;hard top plate;hydraulic fracturing;weighting step(上接第 1 1 3 页)Application Analysis of Denitration Device Based on Pulverized Coal Boiler HeatingSupplementSun Guodong,Fu Yi(Yanan Petrochemical Plant,Yanan Shaanxi 727406,China)Abstract:In order to address the shortcomings of high heating cost and poor economy in traditional selective catalytic reductiondenitrification process,a new denitrification device based on coal powder furnace heating is proposed,which solved the problems of largeamount of flue gas dust and easy blockage of the system during the application process.According to practical applications,the newdenitrification system can achieve automatic heat replenishment,reducing operating costs by 48.4%,greatly improving the economicefficiency of boiler denitrification.Key words:pulverized coal boiler;replenishing heat;denitration device;catalytic reduction(上接第 1 1 9 页）孔，对上覆坚硬的石灰岩进行弱化,并对钻孔布置方案进行设计。现场应用后,采面坚硬顶板强度明显降低,采空区顶板最大悬空面积由1 0 m6m缩小至4m4m以内,采空区顶板可及时垮落。水力压裂技术在1 5 1 3 0 5 综采工作面取得较为显著的应用成果，采面矿压显现程度有所降低，便于顶板管理。1】于进.水力压裂技术在回采面初次放顶中应用 J.山东煤炭科技,2 0 2 2,4 0(6):1 6-1 8.2陈二亮.水力压裂技术在顶板卸压和增加煤层透气性方面的应用J.煤炭科技,2 0 2 2,4 3(3):1 2 8-1 3 2.3褚永红.坚硬顶板水力压裂切顶卸压技术研究及应用 J.机械管Application of Hydraulic Fracturing Technology in Roof Management of Mining Face(Shanxi Coking Coal Fenxi Mining Industry(Group)Shuangliu Coal Mine,Liulin Shanxi 033300,China)Abstract:In response to the problems of hard and difficult roof collapse in the 151305 fully mechanized mining face,hydraulic fracturingtechnology is proposed to weaken the roof,destroy the stability of the roof rock mass,and reduce the suspended area of the goaf roof.Basedon the on-site situation of the mining face,this paper designs a hydraulic fracturing drilling layout plan for the mining face and the miningroadway,and carries out engineering applications.After on-site application,the roof of the goaf in the 151305 fully mechanized mining facecan collapse in a timely manner during the mining period,and the maximum suspended range is controlled within 4 meters 4 meters,achieving significant roof weakening effect.Meanwhile,due to the timely collapse of the goaf roof,the amount of gas leakage in the goaf canbe reduced.Key words:hydraulic fracturing;hard top plate;goaf,;rock pressure manifestation理开发,2 0 2 2,3 7(5):7 0-7 2.4高亚伟.麻家梁矿1 4 2 0 3-1 综放工作面开采初期顶板弱化技术研究 J.煤矿现代化，2 0 2 2,3 1(3)：7 3-7 7.5杨贵栋.厚硬顶板下工作面定向水力压裂顶板弱化技术试验 J.煤,2 0 2 2,3 1(5):9 3-9 5.6朱云龙，高建勇.综采工作面过上覆房采区顶板管理措施研究J.中国矿业,2 0 2 2,3 1(5)：1 2 8-1 3 4.参考文献7任增浩.坚硬顶板巷道水力压裂切顶卸压技术研究 J.山西化工,2 0 2 2,4 2(2):2 0 3-2 0 5.8侯玉杰，郝财利，闫循强.马堡煤业定向水力压裂顶板控制技术研究与应用 J.能源技术与管理，2 0 2 2,4 7(2)：8 4-8 6.9马冰，蒋威.厚硬顶板定向水力压裂分层垮落技术研究 J.煤炭技术,2 0 2 2,4 1(4):1 3-1 7.Du Guokai