深孔水压致裂切顶卸压推进方式优化及应用

深孔水压致裂切顶卸压推进方式优化及应用

胡亚超

（中赟国际工程有限公司，河南 郑州 450007）

摘要：针对封孔器在深孔水压致裂切顶卸压技术推送阻力较大人力难以推送到指定压裂位置问题，对深孔水压致裂推进方式进行优化研究。通过分析现有矿井深孔水压致裂切顶卸压工艺，提出现有推进方式存在问题及改进思路，并设计研发深孔水压致裂封孔器推送装置，主要原理是通过三位四通手动控制阀控制双向液压油缸实现推送，且设备制作简易，操作简单。该装置在寺河60 m深孔水压致裂工程中进行试验性应用。

关键词：深孔水压致裂；切顶卸压；封孔器推送装置；顶板软化

中图分类号：TD325文献标志码： 文章编号

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作者简介：胡亚超（1995—）,男,河南濮阳人,硕士研究生，主要从事巷道围岩控制研究。Tel：13183124490，E-mail：806310413@qq.com

0 引言

我国煤炭资源坚硬顶板赋存煤层约占32%。坚硬顶板具有硬度大、整体性好等特点，工作面推过后，顶板难以及时垮落，造成采空区大面积悬顶，当悬顶面积达到一定面积时，悬顶会突然垮落产生很大冲击荷载，易引发冲击地压、片帮、煤与瓦斯突出等动力问题[1-2]。综上所知，大部分学者对水压致裂的裂纹扩散机理、理论力学分析、坚硬顶板软化特性等方面等进行了大量研究，水压致裂切顶技术已经初步完善成熟。然而，由于多数矿井开采强度大，工作面推进速度快，深孔水压致裂的效率难以与之匹配，并且仍采用功效与安全系数较低的施工工艺，因此本文通过分析水压致裂切顶卸压的现状，提出水压致裂推进方式优化方案，主要设计一种新型的推送装置，以期能提高深孔水压致裂的效率，保证施工安全。

1 深孔水压致裂切顶卸压现状与不足

1.1  深孔水压致裂切顶卸压现状

目前井下水压致裂卸压的方法主要有由常规水力压裂、井下点式水力压裂、高压脉冲水力压裂、定向水力压裂。深孔水压致裂切顶卸压主要采用点式水力压裂，即利用封隔器将整个钻孔分为数段，将压力集中于一点进行后退式分段压裂。压裂设备主要包括:高压水泵、封隔器、高压注水管、手动泵、压力表、流量表及连接胶管等。封隔器用水力膨胀式封孔器，有可以重复利用、注水压力高、操作简单等优点。但由于深孔水压致裂压裂位置钻孔深度大，直径大等特点，在封孔器推送过程中存在一些难题。

1.2深孔水压致裂推进方式不足

深孔水压致裂切顶卸压工艺的高压注水管和封孔器自身重量较大，再加上封孔器推送时与钻孔壁之间的摩擦力，在进行深孔推送时往往造成许多不便以及安全隐患，主要包括以下几点：

①水压致裂封孔器以及注水管若使用人力进行推送，则需要6~8人配合作业，由于钢管自重以及孔内不明状况极易造成封孔器或者管件损伤或者脱落，易出现安全问题，并且浪费人力、物力、工作效率低；

②深孔水压致裂切顶卸压深度大、角度大，钢管自重及推进阻力影响，深度过大往往造成人力不能推送至指定位置，导致封孔器未能推送到位，从而影响压裂的高度；

2 深孔水压致裂推进方式优化设计

深孔水压致裂在高压注水工艺、封孔器等工艺方面较完善，且机械化程度高，故而对于深孔水压致裂的优化重点关注于封孔器及高压钢管的推送方法，以期能大大缩短推送时间，同时保障施工安全。因此，设计研发一种深孔水压致裂封孔器推送装置；主要有双向液压油缸、三位四通手动控制阀、单体支柱、上部卡箍组装构件、下部卡箍组装构件五部分组成。

该推送装置制作简易，便于操作，形成固定三角形稳定结构，压裂过程更加安全；使用双向液压油缸提供动力，大大降低体力劳动，减少了人体、物力投入。

3 工程应用

3.1 深孔水压致裂施工方案

施工地点距离切眼位置300m处，施工范围为342m。爆破段主要岩性为砂质泥岩、泥岩等软岩为主；水压致裂段为煤层顶板上方30m60m位置的上覆岩层，该阶段存在较厚的坚硬岩层，主要包括细粒砂岩、泥岩砂质泥岩、粉砂岩，压裂段74.39%的岩石为细粒砂岩和粉砂岩；针对30m60m位置坚硬顶板处理选择水压致裂主要是因为采用深孔爆破存在装药量大、装药困难、封孔困难，动力扰动大，且60m深孔爆破安全管理严格，所以在钻孔深部25m60m内进行水压致裂技术，水压致裂钻孔孔间距10米；钻孔浅部25m进行爆破预裂，爆破钻孔间隔3米。水压致裂技术主要包括封孔、高压水压裂、保压注水三项工序。

确定主要参数，钻孔在沿巷道中线方向与竖直方向夹角为a=75°，在巷道断面图中，钻孔与巷道断面竖直方向的夹角为b=0°，距煤柱帮距离1m左右；钻孔倾斜深度60m，竖直深度58m，钻孔间距为10m，钻孔采用直径为75mm的矿用普通钻头。

3.3 推送装置效果

在进行深孔水压致裂施工过程中，测试60m钻孔推送装置推进效果，对推进不同深度所需要时间进行现场试验。试验结果如图1所示。

图1深孔推送作业耗时特征

由图可知：推进装置进行封孔器推送60m深孔所用时间约在37min，40m

压裂孔推送所用时间约26min，且设备操作简单，23人即可完成整个水压致裂工序，且施工过程安全隐患少；人工推送40m封孔器约40min，需要68相互配合作业，60m深孔压裂人力难以实现；40m深孔推送时间减少了35%，同时稳定三角形结构避免了施工过程高压注水管下滑易发生危险。

该装置解决了深孔水压致裂在大断面巷道、深孔等条件下封孔器推送难题，减少了人力、物力投入，提高了压裂工效和经济效益。

3.4 深孔水压致裂效果检验

为了进一步检验水压致裂效果，对比水压致裂前后巷道变形情况，进行巷道顶板、两帮进行变形观测，同时检验采空区，顶板垮落现象。

压裂前工作面超前采动影响范围88m，采动影响范围59m，顶板最大下沉量187mm，两帮最大变形量126mm；压裂后工作面超前影响范围60m，采动影响范围28m，巷道顶底最大下沉量128mm，两帮最大变形量82mm；顶板变形量降低了68.45%，两帮移近量降低了65.08%；表明水压致裂效果很好；

随着6301工作面推进，采空区后方与63011巷道夹角位置顶板及时垮落，治理了上隅角瓦斯问题；同时坚硬顶板及时垮落解决了悬顶突然垮落引发的片帮、冲击地压、冒顶等动力危害。

4 结论

1）通过对现有深孔水压致裂工艺分析，提出深孔压裂封孔器在封孔推进工艺上的不足及改进思路，设计研发深孔水压致裂封孔器推送装置。

2）深孔水压致裂封孔器推送装置制作简单、容易操作、可适用范围广，且稳定三角形结构使施工更加安全；60m深孔约37min将封隔器推送到底部压裂位置；40m深孔相比人工减少了35%；减少了人力、物力投入，提高了压裂工效和经济效益。

3）对照压裂前后巷道变形量，顶板变形量降低了68.45%，两帮移近量降低了65.08%；表明压裂取得了很好的效果。同时采空区顶板及时垮落，避免了悬顶突然垮落引发的动力问题，有效保障矿井高效安全生产。

参考文献

[1]姚亚虎,张庆华.千米埋深坚硬顶板沿空留巷技术研究[J].煤炭科学技术,2017,45(05):86-91+180.

[2]段宏飞,杨强.水力压裂控制坚硬顶板室内试验及现场测试[J].煤矿安全,2019,50(07):26-30.