水力壓裂切頂卸壓控制動(dòng)壓巷道圍巖變形研究

張江波

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400）

1 工程背景

干河煤礦是霍州煤電集團(tuán)的主力生產(chǎn)礦井，2-209工作面為礦井主采面，工作面布置見圖1。井下相對(duì)位置北東端為井田邊界，南西端為二采區(qū)回風(fēng)巷，北西側(cè)均為實(shí)體煤，南東側(cè)為2-100工作面采空區(qū)。工作面煤層整體呈一傾向北西的單斜構(gòu)造，局部發(fā)育小型褶曲，煤層平均厚度：1、2#合并厚煤層區(qū)3.9m，夾矸平均0.6m左右。煤層結(jié)構(gòu)1.91（0.2～1.0）1.59，煤層傾角 1°～11°，平均 5°，煤層硬度（f）為1.5，屬于煤層穩(wěn)定性煤層。煤層底板標(biāo)高為48～126m，地面標(biāo)高為550～635m，工作面埋深為485～540m。工作面兩巷沿煤層走向布置，走向長(zhǎng)度2160m，傾向長(zhǎng)度183m。

2091巷為實(shí)體煤中掘進(jìn)，209工作面回采期間超前采動(dòng)影響不大，超前支護(hù)段幾乎沒有明顯變形。2092巷與100工作面采空區(qū)間凈煤柱為25m，掘進(jìn)期間成型和支護(hù)效果良好，巷道未見明顯變形；但209工作面回采進(jìn)入到100采空區(qū)影響范圍后，2092巷超前影響段變形明顯，超前180m左右即有底板硬化層開裂，出現(xiàn)底鼓，超前60m范圍內(nèi)巷道變形嚴(yán)重，底板鼓起，兩幫移近，頂板出現(xiàn)破碎網(wǎng)包，變形最嚴(yán)重處巷寬由4.8m縮至3.5m，巷高由3.6m減至2.3m，起底量和超前維護(hù)量巨大。

圖1 2-209工作面采掘工程平面圖

在工作面回采動(dòng)壓影響下，工作面兩側(cè)所留設(shè)的區(qū)段煤柱內(nèi)部應(yīng)力會(huì)隨著工作面推進(jìn)距離的變化而發(fā)生變化。當(dāng)距離工作面相對(duì)較遠(yuǎn)時(shí)，煤柱未受回采動(dòng)壓影響而處于原巖應(yīng)力狀態(tài)；當(dāng)煤柱與工作面距離較近時(shí)，在工作面超前支承壓力影響下，煤柱內(nèi)部應(yīng)力急劇增加，處于應(yīng)力增高區(qū)；當(dāng)煤柱距離工作面后方較遠(yuǎn)后，煤柱內(nèi)部應(yīng)力逐漸減小，恢復(fù)到原巖應(yīng)力狀態(tài)并趨于穩(wěn)定。因此，受支承壓力的影響，護(hù)巷煤柱載荷急劇增長(zhǎng)，外巷巷道的變形開始變大，如圖2所示，巷道片幫、底鼓現(xiàn)象突出。干河礦2092巷超前段發(fā)生急劇變形，為典型受超前采動(dòng)影響所致，該巷同時(shí)受100采空區(qū)側(cè)向支承壓力和209回采面超前支承壓力影響，側(cè)向支承壓力無法進(jìn)行卸壓，因此需在2-2092巷采取超前切頂卸壓技術(shù)來減弱本工作面回采期間的超前支承壓力，減小超前影響段維護(hù)量。

圖2 護(hù)巷煤柱在回采工作面前后方的應(yīng)力分布

2 水力壓裂理論及技術(shù)

水力壓裂即通過在鉆孔壓裂段預(yù)先生成切槽裂縫，通過注入高壓水來使孔內(nèi)裂隙發(fā)生定向擴(kuò)展致裂巖體的方法。該項(xiàng)技術(shù)在煤礦堅(jiān)硬頂板控制控制方面經(jīng)過多年試驗(yàn)，取得了良好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。高壓水對(duì)頂板的作用主要體現(xiàn)在弱化頂板和高壓致裂兩個(gè)方面，對(duì)頂板巖層的完整性進(jìn)行破壞，同時(shí)降低其強(qiáng)度，從而有助于上覆頂板巖層發(fā)生逐次垮落，將頂板來壓步距及來壓強(qiáng)度大大減小，防止了堅(jiān)硬頂板大面積來壓而導(dǎo)致工作面安全生產(chǎn)事故的發(fā)生。

巖體是各向異性、內(nèi)含節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)弱面的非均質(zhì)材料，而在高壓水作用下巖體的裂紋擴(kuò)展是涉及到固體力學(xué)、流體力學(xué)的多場(chǎng)耦合作用過程。通過水力裂縫尖端應(yīng)力場(chǎng)，建立水力裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則，進(jìn)而對(duì)水力壓裂情況下，巖體的裂紋擴(kuò)展形態(tài)進(jìn)行研究。

在進(jìn)行理論分析時(shí)，可將巖體看作是連續(xù)、均勻、各向同性的脆性材料，基于最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，通過彈性力學(xué)的方法來對(duì)裂縫的起裂條件進(jìn)行分析研究。當(dāng)鉆孔相關(guān)參數(shù)及地應(yīng)力場(chǎng)不同時(shí)，則圍巖裂縫起裂規(guī)律也不同。例如，當(dāng)方位角θAz=0°，鉆孔傾斜角θInc從0°旋轉(zhuǎn)至90°，即鉆孔由垂直孔旋轉(zhuǎn)為水平孔，σH/σv=0.25、0.75、1.5 和 2.5 時(shí)，pb/σv的變化規(guī)律見圖3。

圖3 開裂壓力(pb/σv)隨傾角θInc的變化規(guī)律

由上圖可知，當(dāng) σH/σh=1.0 時(shí)，開裂壓力(pb/σv)與傾角θInc呈現(xiàn)反比關(guān)系，隨著鉆孔方向由豎直轉(zhuǎn)向水平，致裂巖層所需壓力呈減小趨勢(shì)；對(duì)于σvHh型地應(yīng)力場(chǎng)(σv＞σH＞σh)，開裂壓力(pb/σv)與傾角 θInc呈先增大后減小的趨勢(shì)，所需開裂壓力的極值出現(xiàn)在鉆孔由豎直向水平的旋轉(zhuǎn)過程中；對(duì)于σHvh型地應(yīng)力場(chǎng) (σH＞σv＞σh)，開裂壓力(pb/σv)與傾角 θInc呈逐漸增大的趨勢(shì)，當(dāng)鉆孔由垂直方向轉(zhuǎn)向水平方向時(shí)，開裂巖層所需的壓力也在持續(xù)增加；對(duì)于σHhv型地應(yīng)力場(chǎng) (σH＞σh＞σv)，巖層開裂所需壓力會(huì)隨著鉆孔由豎直方向轉(zhuǎn)向水平方向而呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。鉆孔傾角越接近水平方向，則所需開裂壓力也趨向一個(gè)收斂固定值；對(duì)于三種類型的應(yīng)力場(chǎng)，開裂壓力與σH/σh呈負(fù)相關(guān)，與σH/σv呈正相關(guān)。

定向水力壓裂如圖4所示。橫向切槽設(shè)置在壓裂孔部位，在實(shí)際工程應(yīng)用中，裂縫會(huì)沿著切槽的方向進(jìn)行擴(kuò)展。在鉆孔內(nèi)兩個(gè)封孔器段內(nèi)注入高壓水后，在橫向切槽的端部會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力集中，在尖端處首先發(fā)生開裂，裂縫同時(shí)向深部擴(kuò)展。

圖4 定向水力壓裂示意圖

水利壓力機(jī)具設(shè)備主要有切槽鉆頭、封孔器、高壓注水泵及水量水壓監(jiān)測(cè)儀器等。橫向切槽鉆頭主要采用KZ54型切槽鉆頭，該鉆頭外徑為54mm，對(duì)于單軸抗壓強(qiáng)度在50～150MPa的巖層均具有很好的適應(yīng)性。封孔器選用跨式膨脹型封孔器，其構(gòu)成部分主要有：封孔器頭、膠筒、中心管、連桿等。膠筒由鋼絲加強(qiáng)的橡膠材料制作而成，注水后即可發(fā)生膨脹并封孔。該封孔器具有封孔壓力高的特點(diǎn)，同時(shí)可劃分不同的壓裂段，從而在同一鉆孔內(nèi)實(shí)現(xiàn)分段逐次壓裂。高壓注水泵通常選用壓力超過60MPa，流量達(dá)到80L/min左右的注水泵，在該注水壓力和流量下可實(shí)現(xiàn)鉆孔周邊圍巖被壓裂，且裂縫可擴(kuò)20～50m左右。水量水壓監(jiān)測(cè)儀器選擇KJ327-F型，該監(jiān)控儀器可對(duì)壓裂過程中高壓水的流量及壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和記錄，通過與計(jì)算機(jī)連接可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，對(duì)于井下潮濕、惡劣的環(huán)境。巖體內(nèi)產(chǎn)生裂縫后，水壓會(huì)發(fā)生降低，裂隙會(huì)向巖層深部擴(kuò)展，通過數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)保證堅(jiān)硬頂板被充分弱化。

3 頂板水力壓裂工藝

頂板水力壓裂包括封孔、高壓水壓裂、保壓注水三項(xiàng)主要工序，如圖5所示。該壓裂系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：靜壓水進(jìn)水管路、高壓水泵、水泵壓力表、蓄存壓裂介質(zhì)水和油的儲(chǔ)能器、手動(dòng)泵、手動(dòng)泵壓力表、快速連接的高壓供水膠管、封孔器。

圖5 頂板水力壓裂示意圖

水力壓裂堅(jiān)硬穩(wěn)定巖層強(qiáng)制放頂施工工藝如圖6所示。鉆孔內(nèi)的切槽鉆頭首先進(jìn)行橫向切槽，預(yù)制裂縫，如圖（a）所示?？變?nèi)預(yù)置封孔器，通過人工操作手動(dòng)泵使封孔器膨脹封孔，如圖（b）所示。通過高壓泵對(duì)封孔段內(nèi)注入高壓水，對(duì)巖層進(jìn)行致裂，如圖（c）所示。

水壓致裂堅(jiān)硬頂板具有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：①該項(xiàng)技術(shù)不同于傳統(tǒng)水力壓裂，主要針對(duì)煤礦井下堅(jiān)硬頂板難以垮落而設(shè)立，因而克服了煤礦井下施工環(huán)境差、空間范圍狹小等的點(diǎn)。②水力壓裂工作效率高，致裂頂板速度快，可滿足綜采工作面正?；夭傻囊螅S采頂板及時(shí)垮落。③水壓致裂通常超前工作面來進(jìn)行，因此不會(huì)對(duì)工作面的正常回采產(chǎn)生影響。④與采用火工品來爆破預(yù)裂頂板相比，水壓致裂的安全可靠性更高，致裂范圍更大，可在鉆孔較少的情況下，取得更好的致裂效果，從而提高施工作業(yè)效率。

圖6 水力壓裂控制堅(jiān)硬頂板巖層示意圖

4 工業(yè)性試驗(yàn)

4.1 地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測(cè)試及礦壓顯現(xiàn)情況

在2-1022巷（與2-100工作面間隔三條大巷，在大巷另一翼）進(jìn)行了一個(gè)測(cè)站圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試，測(cè)站最大水平主應(yīng)力為16.18MPa，最小水平主應(yīng)力為8.38MPa，垂直應(yīng)力為11.00MPa。最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹1.7°E。測(cè)站所在巷道頂板以上10m范圍內(nèi)巖層依次分別為細(xì)粒砂巖和粉砂巖。細(xì)粒砂巖層厚在5m左右，巖層強(qiáng)度約為57.32MPa；粉砂巖層厚在5m左右，巖層強(qiáng)度約為37.45MPa。

工作面初次來壓步距30m，平均周期來壓步距20.3m，其中工作面上部（靠近2091巷）周期來壓步距23m，中部周期來壓18m，下部（靠近2092巷）周期來壓20m。大部分時(shí)間工作面中部先來壓，其次是下部，最后是上部，說明工作面中部頂板壓力最大，而下部（靠近2巷）頂板壓力大于上部（靠近1巷）頂板壓力。

4.2 水力壓裂卸壓參數(shù)設(shè)計(jì)

鉆孔參數(shù)根據(jù)頂板巖層厚度、巖性、礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)與范圍，壓裂鉆孔布置如下圖7所示。為了避免影響工作面正常生產(chǎn)以及施工工期的要求，試驗(yàn)段位置應(yīng)超前工作面150m。布置壓裂鉆孔S和鉆孔S′，與巷道夾角分別為90°和3-5°。鉆孔參數(shù)為：1）壓裂鉆孔-S，鉆孔長(zhǎng)度40.5m，孔間距為16m，仰角為50°；2）壓裂鉆孔-S′，鉆孔長(zhǎng)度 40.5m，孔間距為8m，仰角為50°。壓裂鉆孔和測(cè)站鉆孔的施工，鉆頭直徑為56mm，鉆桿直徑宜采用42mm。

圖7 水力壓裂鉆孔布置圖

5 結(jié)語

在2-1002巷內(nèi)進(jìn)行了定向水壓致裂施工后，通過對(duì)正常回采段與水壓致裂段圍巖變形進(jìn)行對(duì)比可知，壓裂后巷道頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r變形量大大降低，降低量分別為50%和30%，表明水壓致裂切頂卸壓可有效控制巷道圍巖變形，實(shí)現(xiàn)工作面安全高效回采。