綜采工作面水力壓裂切頂卸壓留巷技術(shù)

王文文

（霍州煤電集團有限責(zé)任公司回坡底煤礦生產(chǎn)技術(shù)科，山西 洪洞 041600）

1 工程概況

回坡底礦10-103工作面位于東一采區(qū)右翼，工作面走向長度為1360m，傾斜長度為200m，主采10#煤層，煤層均厚為2.7m，平均傾角為5°。煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，均厚2.6m；基本頂為細(xì)粒砂巖，均厚2.15m；基本頂上方為中砂巖，均厚為6m。為增強工作面的通風(fēng)能力，在回風(fēng)巷一側(cè)采用雙巷布置的形式，即布置回風(fēng)巷與瓦排巷，兩巷之間的煤柱寬度為30m，其中為了保證瓦排巷能夠為下一個工作面服務(wù)，采用定向水力壓裂切頂卸壓技術(shù)進行留巷作業(yè)。

2 定向水力壓裂切頂原理

定向水壓致裂的切頂卸壓原理與采用水壓致裂測試地應(yīng)力的方法基本相同，在清楚區(qū)域的地應(yīng)力分布狀態(tài)后，設(shè)計合理的水力壓裂致裂措施，保證沿著設(shè)定的方向產(chǎn)生裂隙面，以達到切頂卸壓的目的。

當(dāng)最小主應(yīng)力為最小水平應(yīng)力，并且最小水平應(yīng)力與回采巷道的軸線方向垂直時，此時便可通過最小主應(yīng)力對裂隙面進行控制，從而在沿著懸臂結(jié)構(gòu)的變形切出一條垂直裂隙。在定向水力致裂切頂卸壓時，巖層在水壓作用下會形成垂直于最小水平主應(yīng)力的裂隙面，鉆孔與裂隙會處于相同的平面內(nèi)[1-2]。

當(dāng)最小主應(yīng)力接近于水平方向且與巷道軸線的夾角較小或者接近于垂直方向時，在不采取特殊措施的條件下對巖層進行水力壓裂時，便可能形成垂直巷道軸線的裂隙面或水平裂隙面，從而達不到切割懸臂結(jié)構(gòu)的目的。水力壓裂作業(yè)時必須對鉆孔壓裂段進行預(yù)先處理，來引導(dǎo)水壓裂隙面沿著該方向發(fā)育。根據(jù)相關(guān)研究與現(xiàn)場應(yīng)用[3-4],采用機械式鉆頭在鉆孔內(nèi)切槽已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)，在進行切槽作業(yè)時進行橫向切槽，即保證切槽方向與鉆孔方向相垂直，如圖1所示。通過在回采巷道煤柱上方布置一個或多個傾斜鉆孔，并在鉆孔內(nèi)孔壁環(huán)向進行橫切槽，該槽能夠有效地引導(dǎo)裂隙向著橫向切槽發(fā)展，確保懸臂結(jié)構(gòu)能夠充分冒落，達到卸壓的目的。

圖1 橫切槽時水力壓裂作業(yè)示意圖

3 定向水力壓裂卸壓留巷試驗

3.1 定向水力壓裂卸壓方案

根據(jù)10-103工作面的地質(zhì)資料顯示，工作面回采巷道軸向與最小水平主應(yīng)力的夾角很小，故根據(jù)前述分析能夠預(yù)計出水力壓裂面與巷道軸向會基本呈垂直狀態(tài)，裂隙面的擴展方向不利于切落懸臂結(jié)構(gòu)。為有效地實施水壓致裂切頂卸壓作業(yè)，采用鉆孔切槽措施來引導(dǎo)裂隙面的擴展方向。

為了不對工作面的正?；夭僧a(chǎn)生影響，結(jié)合上述分析，將水力壓裂的鉆孔布置在回風(fēng)順槽超前工作面150m的位置處，共布置110m長度的水力壓裂段，布置形式如圖2所示。沿著回風(fēng)巷共布置12個鉆孔，鉆孔長度為30m，直徑為56mm，孔之間的間距為10m，鉆孔仰角為50°，在水平方向的投影與煤壁之間的夾角為75°。在進行鉆孔開槽作業(yè)時，采用倒退式的開槽順序，在每個鉆孔內(nèi)共布置7個槽，槽與槽之間的間距為3m，其中7#槽距離孔底為20m，1#槽距離孔底為2m。

在進行水力壓裂作業(yè)時，為確保水力壓裂能夠產(chǎn)生充足的裂隙，確定注水壓力為60MPa，水力壓裂施工順序如下：

（1）先安裝水壓儀和封孔器，在封孔器安裝完畢后，通過連接靜壓水管對封孔器進行排氣試壓，確保其能正常工作。在注水鋼管與高壓膠管的連接處安設(shè)水壓儀器，用來對水力壓力進行監(jiān)測。

（2）在安裝連接以及調(diào)試工作結(jié)束后，通過注水鋼管將封孔器推送至設(shè)定的位置處后進行封孔作業(yè)。注水壓裂施工時從孔底處開始1#～7#槽依次進行壓裂作業(yè)。

（3）在注水時逐漸加壓，當(dāng)注水壓力達到10MPa時停止加壓操作，通過觀察鉆孔并監(jiān)測壓力表，對封孔器的保壓效果進行觀測，確保封孔器的正常工作，出現(xiàn)問題時及時解決。

（4）在提高水力壓力時，及時記錄壓力表和流量計上顯示的數(shù)據(jù)。將注水壓力提升到預(yù)裂縫開裂時，壓力表的數(shù)據(jù)會出現(xiàn)突然下降，此時應(yīng)進行保壓注水操作，以使裂紋能夠持續(xù)擴展。當(dāng)巷道圍巖表面出現(xiàn)滲水或者有水冒出時，即代表著水力壓裂操作的完成，應(yīng)及時停止壓裂作業(yè)。

（5）單孔水力壓裂操作完成后，進行斷電、停水、封孔器卸壓操作，這些操作完成后即可進行下一個鉆孔的水力壓裂作業(yè)。

圖2 水力壓裂鉆孔布置位置示意圖

3.2 定向水力壓裂效果分析

為對10-103工作面采用水力壓裂的效果進行分析，通過在水力壓裂段和非水力壓裂段布置兩個測站，對巷道的頂?shù)装逡平?、煤柱的垂直?yīng)力分布進行監(jiān)測。

（1）巷道表面位移監(jiān)測分析

在瓦排巷5#橫貫的兩側(cè)分別布置2個位移觀測站，對留巷水壓致裂段和非水壓致裂段的巷道頂?shù)装逡平窟M行監(jiān)測，測點間隔10m，分別將監(jiān)測點命名為壓1～壓2和非1～非2。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果得出留巷的頂?shù)装逡平俊獣r間曲線如圖3所示。

圖3 留巷頂?shù)装逡平孔兓€

根據(jù)圖3能夠看出，在采動壓力影響下壓裂段的頂?shù)装逡平棵黠@小于非壓裂段的頂?shù)装逡平?。根?jù)曲線的整體形態(tài)顯示，隨著監(jiān)測點距離工作面距離的增大，巷道頂?shù)装逡平勘憩F(xiàn)出逐漸增大的趨勢。當(dāng)測點在超前工作面80m的位置處，壓裂測點的頂?shù)装逡平考s為300mm，相應(yīng)的非壓裂測點的頂?shù)装逡平考s為500mm，水力壓裂段頂?shù)装宓囊平拷捣s為50%。另外根據(jù)巷道兩幫位移量的監(jiān)測結(jié)果可知壓裂段兩幫移近量相對于非壓裂段兩幫移近量降低了30%。

（2）煤柱垂直應(yīng)力監(jiān)測分析

在水壓致裂段3#橫貫內(nèi)煤幫上布置4個水平鉆孔，即超前工作面150m的位置處布置鉆孔?？咨?0m，孔徑為42mm，鉆孔距離巷道底板的高度為1.5m。在4個鉆孔內(nèi)分別安裝4組鉆孔應(yīng)力計，并依次對其編號為1#～4#，4組鉆孔應(yīng)力計距離回風(fēng)巷煤柱表面的距離為4m、6m、8m、10m。作為對比，在非壓裂段的5#橫貫處同樣的位置處，同樣的布置參數(shù)，布置4個水平鉆孔，分別編號為5#～8#。將所得數(shù)據(jù)繪制成曲線如圖4所示。

根據(jù)圖4能夠得出，在壓裂段，當(dāng)測點距離工作面＞50m時，垂直應(yīng)力的變化值較小；當(dāng)距離工作面＜50m時，煤柱的垂直應(yīng)力的上升速度出現(xiàn)明顯的加快趨勢。隨著工作面的持續(xù)推進，當(dāng)測站在距離工作面約為15m的位置處，煤柱上的垂直應(yīng)力出現(xiàn)峰值，約為23MPa。隨著工作面的進一步推進，應(yīng)力出現(xiàn)快速的下降，在工作面推過測點約20m的位置處應(yīng)力基本穩(wěn)定。在非壓裂段，距離工作面＞50m時，垂直應(yīng)力的變化較緩慢；在距工作面＜50m時，應(yīng)力出現(xiàn)快速上升。當(dāng)工作面推過測點后，應(yīng)力會進一步增大，在工作面推過測點30m時，垂直應(yīng)力依舊在持續(xù)增大，并未出現(xiàn)穩(wěn)定。

圖4 煤柱垂直應(yīng)力分布曲線

根據(jù)上述分析可知，水力壓裂能夠顯著減少留巷的表面位移，有效地控制留巷的巷道變形量，并能夠控制煤柱的應(yīng)力在工作面前方約15m的位置處逐漸下降，并在工作面推過約20m的位置處穩(wěn)定下來。

4 結(jié)論

通過分析定向水力壓裂切頂卸壓的原理可知，當(dāng)最小主應(yīng)力接近于垂直方向時，采用定向水力壓裂技術(shù)時需在孔內(nèi)切槽來引導(dǎo)裂紋擴展保證切頂效果。根據(jù)10-103工作面的具體地質(zhì)條件對定向水力壓裂切頂卸壓方案的各項參數(shù)進行具體設(shè)計，根據(jù)礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)可知水力壓裂后，頂?shù)装逡平拷档?0%，兩幫移近量降低30%，有效地控制留巷的圍巖變形，卸壓效果明顯。