刘伟
（淖尔壕煤矿，内蒙古鄂尔多斯 017205）
摘要：本文分析介绍淖尔壕煤矿1407综采工作面运用水力压裂技术开采煤炭的情况。
关键词：综采工作面；水力压裂技术；煤炭开采
淖尔壕煤矿1407工作面根据地质构造、煤层赋存和煤质情况，运用了水力压裂技术，采用综采机组开采中厚煤层。在可靠和有效的安全技术措施保障下，顺利完成了预期的煤炭开采目标和任务。
1.实施背景
由于内蒙古地区煤矿地质条件好，顶板岩层都具有厚度较大、整体性和稳定性都比较好的特点，造成了回采后其工作面顶板无法随工作面推进及时自然垮落的问题。一旦垮落，一次垮落的面积大、高度大，有强烈的顶板来压显现。初次来压步距往往较大，可达 40-80m，甚至上百米，来压时有明显的动力现象，常造成支护设备损坏，危及人身安全。为此，需要实施爆破强制放顶，而爆破强制放顶时需要打眼、装药、放炮，困难程度极大，危险性极高，还经常崩坏支架及其他设备。为此，淖尔壕淮北项目部根据本矿顶板岩层条件，研究分析后，决定实施水力压裂技术。
2.水力压裂初放技术的优点
①使工作面顶板在初采期间分层、分次逐步垮落，不形成强烈冲击，达到自然垮落的效果，杜绝采空区顶板突然大规模垮落对人身财产安全造成的威胁。确保工作面安全初采。②水力压裂控制实现坚硬顶板有效可控。③水力压裂弱化坚硬顶煤、提高煤层透气性及瓦斯抽采效果等。④力压裂可有效弱化坚硬顶板、破坏其完整性，削弱顶板的强度和整体性，使采空区顶板能够分层分次垮落；减小或消除坚硬顶板对回采危害。⑤水力压裂可有效弱化坚硬顶板、破坏其完整性，削弱顶板的强度和整体性，使采空区顶板能够分层分次垮落；减小或消除坚硬顶板对回采危害。
3.工艺流程
①工作面水力压裂初次放顶施工概况：所采煤层为4-2煤，厚度相对稳定，结构简单，直接顶为灰色砂质泥岩，局部为中砂岩，块状结构。水力压裂初次放顶工艺见如图1所示。其中：采用横向切槽的特殊钻头，预制横向切槽，见图1(a)所示，本矿顶板岩层不属于坚硬岩石，无需实施开槽作业；利用手动泵为封隔器加压使胶筒膨胀，达到封孔目的，见图1(b)；连接高压泵实施压裂，见图1(c)。
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对于封孔工艺，其工作流程见如图2（1）所示。封孔压力为12～16MPa，严格按此程序连接管路，保证连接处密封完好，试压达到要求后投入使用。试压时加压到2～5MPa检查密封情况。对于压裂工艺，其流程图见如图2（2）所示。
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在水力压裂钻孔布置上，共布置L孔13个，S孔24个。钻孔参数为：压裂钻孔-L，钻孔长度40m，倾角为25°；压裂钻孔-S，钻孔长度39m，倾角为45°；钻孔进尺：520m（13个L孔）+936m（24个S孔）=1456m。
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4.施工工艺
利用地质钻机进行钻孔作业。待钻孔完成后，钻孔队伍进行下一个钻孔作业，在完成的钻孔中安装封孔器，利用手动泵和储能器封孔，最后连接高压泵实施压裂。钻孔作业和压裂作业可平行作业，作业间距应不小于40m。压裂使用高压柱塞泵。安装、连接、调试工作结束后，连接注水钢管将封孔器推送至预定位置（预裂缝处）→手动泵加压封孔器，观察钻孔并监测压力表，检验封孔器能否保压，若钻孔中有水流出或压力下降明显，说明封孔失效，检查封孔器各个连接处及封孔器本身，找出并解决问题，确保封孔器正常工作→距离压裂孔20m处拉警戒，试验期间除作业人员外禁止人员通行，操作人员以及作业设备距离压裂孔的距离应在 20m 以上，且位于支护条件良好的地方→给高压水泵先通水再通电，然后慢慢加压，同时记录水泵压力表以及手动泵压力表数据，继续加压直至预裂缝开裂，这时压力会突然下降，保压注水使裂纹继续扩展，同时也会软化顶板。观察到四个监测孔几乎同时冒出大量的水，停止加压，压裂结束→高压水泵先断电再停水，封孔器泄压，然后退出钻孔，利用窥视仪观察压裂效果。
5.技术要求
①根据现场压裂情况调整压裂位置和压裂次数，压裂时观察压裂处巷道及锚杆、锚索情况，出现变形或锚杆（索）断裂的情况时立即停止压裂，并调整压裂方式；②水力压裂技术要求完成钻孔的轴线近似为一条直线，要求在钻进过程中尽量降低钻进速度，减小钻机进给力，保证钻孔的直线性；L孔、S孔距孔口5m停止压裂，其中L1、S1、L13、S13-S22每隔2m压裂一次，其余S孔每隔3m压裂一次，每次压裂时间为半小时。③压裂结束后，首先通过注水管进行钻孔放水，钻孔放水时间为压裂时间的 1.5～2倍，待放水彻底后方可为封孔器卸压，严禁在放水彻底前进行封孔器卸压；④压裂作业前检查巷道附近有害气体的浓度，安全后方可开始作业；⑤高压水泵需调试正反转，运转时总是先通水后通电，停止运转时总是先断电后停水；高压泵首次运转30小时后需更换润滑油，以后每工作约200小时换油一次；使用前检查水泵各部位上的螺栓、螺母，确保拧紧；⑥水力压裂采用倒退式压裂法，即从钻孔底部向孔口逐次压裂；⑦压裂过程中，保证一定的注水时间，确保压裂、软化充分，同时安排专人检查压裂孔周围顶板，当有大量水从顶板中流出时，停止压裂；⑧压裂前拉警戒线，检查接头部位密封情况，确保无误后方可开始压裂；⑨压裂过程中，严禁人员从压裂钻孔前通过，以防注水管从钻孔中穿出伤人；⑩压裂前检查作业点周围瓦斯浓度及有毒有害气体，确保安全后方可施工。
6.实施效果
①水力压裂技术在1407综采面实施后，验证了该技术对顶板岩层的弱化、破坏完整性及初次垮落作用，达到了理想的效果。经过实验和可续数据分析，在开切眼处沿工作面推进方向实施水力压裂钻孔卸压是成功的；②实现了初采期间顶板岩层顺利、安全和自然垮落；③消除了大面积顶板可能产生的切顶、大量瓦斯涌出、放炮蹦人和蹦坏支架设备等安全威胁，确保了初放期间的安全生产。④提高了回采进度和生产效率，彻底解决了一直困扰着本矿的安全初放技术难题；水力压裂技术实施后，年可节约时间10-15天。⑤压裂在裂缝扩展过程中，压力存在小幅度的波动是正常的，是因岩层的不均匀性或渗透率不同导致的，但裂缝仍会向前大范围扩展；当水压保持平稳时，进入保压注水阶段，压力较为稳定，保证了裂隙扩展的充分。