近距離煤層水力壓裂切頂卸壓護(hù)巷技術(shù)研究

劉愛卿

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

在近距離高瓦斯煤層開采過程中，通常采用布置底抽巷或高抽巷的方法解決瓦斯超限問題，然而近距煤層巷道易受工作面采動影響，巷道圍巖控制難度非常大。一般通過提高支護(hù)強(qiáng)度的方式進(jìn)行控制，但“硬抗”并不能從根本上減小或轉(zhuǎn)移聚集在巷道圍巖中的應(yīng)力，解決該問題的關(guān)鍵應(yīng)該是“轉(zhuǎn)移應(yīng)力”，通過采用人工干預(yù)的方式，破壞或改變超前支承壓力的傳遞路徑，轉(zhuǎn)移應(yīng)力。

目前人工干預(yù)主要方式主要有爆破卸壓、水力壓裂卸壓、密集鉆孔卸壓、氣相壓裂卸壓等方法?？导t普等研究了堅硬頂板綜采工作面水力壓裂卸壓后煤體內(nèi)的應(yīng)力演化規(guī)律[1]。何滿潮等對無煤柱自成巷切縫前后工作面和巷道礦壓分布規(guī)律和演變機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)研究[2]。吳擁政等提出一種控制堅硬厚頂板煤柱留巷的定向水力壓裂留巷卸壓技術(shù)，轉(zhuǎn)移護(hù)巷煤柱上的高采動應(yīng)力，并提出了定向水力壓裂煤柱留巷卸壓機(jī)理[3]。于斌等針對塔山煤礦臨空巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈的問題，進(jìn)行水力壓裂弱化煤層上覆堅硬老頂?shù)默F(xiàn)場試驗，深入分析了水力壓裂弱化堅硬老頂?shù)奶攸c[4]。劉紅崗等利用數(shù)值模擬方法研究了鉆孔卸壓的作用機(jī)理、巷道圍巖動態(tài)損傷破壞發(fā)展和應(yīng)力場重新分布的過程[5]。國內(nèi)外學(xué)者針對切頂卸壓后的沿空留巷、強(qiáng)烈動壓巷道、工作面初放等進(jìn)行了大量的研究[6-13]，然而上述的研究多集中于單一煤層，而對于近距離上部煤層開采后下部煤層巷道圍巖應(yīng)力變化和控制技術(shù)研究較少，基于此，擬以水力壓裂切頂卸壓為基礎(chǔ)和突破點，結(jié)合工程實例研究近距離煤層水力壓裂卸壓護(hù)巷技術(shù)。

1 工程概況

圖1 圍巖柱狀圖

杜兒坪礦68306工作面位于8#煤，底抽巷位于9#煤，工作面平均埋深470m。8#煤和9#煤夾層為細(xì)砂巖，夾層厚度為1.43m，圍巖綜合柱狀圖如圖1所示，8#煤頂板上方有多層灰?guī)r，灰?guī)r堅硬穩(wěn)定，原位測試抗壓強(qiáng)度平均值117.62MPa，工作面回采后，懸頂面積大，導(dǎo)致在側(cè)向煤體中應(yīng)力集中，同采區(qū)相鄰的68308工作面回采完畢后，68309底抽巷頂?shù)装甯叨扔?.0m縮小為1.5m，巷道通過架棚、補打錨索后仍不能夠滿足二次使用，嚴(yán)重影響了工作面瓦斯的正常抽采，68306工作面同底抽巷相對位置如圖2所示，為了避免68306底抽巷出現(xiàn)類似68308底抽巷大變形影響瓦斯抽采的問題，需要對工作面回采期間的頂板進(jìn)行預(yù)處理。

圖2 68306回風(fēng)巷同底抽巷相對位置關(guān)系示意圖

2 上部煤層開采對近距離煤層底抽巷影響分析

工作面回采過程中，隨著頂板暴露面積增加，工作面后方采空區(qū)頂板巖層將發(fā)生冒落，采空區(qū)冒落矸石及上覆巖層通?？蓜澐譃槿龓?，即：冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。煤層開采后拆除支護(hù)或者液壓支架前移，形成采空區(qū)，則頂板冒落，形成垮落帶；上部巖層因為下部垮落帶出現(xiàn)裂隙，再向上就是彎曲下沉帶，有時候采空區(qū)距地表較近的時候，彎曲下沉地表很明顯，甚至地表也屬于裂隙帶[13，14]。

圖3 工作面端頭懸頂應(yīng)力集中效應(yīng)

當(dāng)煤層頂板中存在堅硬、完整厚巖層時，如頂板為堅硬的石灰?guī)r頂板時，頂板的冒落時間會延遲。堅硬厚頂板易形成較長時間跨度的懸頂效應(yīng)，如圖3所示?；仫L(fēng)巷上部堅硬頂板，堅硬的石灰?guī)r頂板在工作面懸頂面積大，造成煤柱應(yīng)力集中，應(yīng)力集中曲線如圖3中曲線1所示，在煤柱高應(yīng)力集中下，致使留巷長期無法穩(wěn)定。若頂板巖層延遲冒落時間達(dá)到幾個月以上時，從工作面采動影響分析角度看，認(rèn)為是永久性的懸頂結(jié)構(gòu)，采空區(qū)的懸頂導(dǎo)致側(cè)向煤體的應(yīng)力集中，8#煤和9#煤屬于近距離煤層，層間距僅為1.43m，底抽巷同68306工作面采空區(qū)的凈煤柱寬度僅為10m，上部煤層中的應(yīng)力集中表現(xiàn)為下部底抽巷的礦壓顯現(xiàn)。如何通過人工干預(yù)方式破壞懸頂結(jié)構(gòu)，使之更為充分的垮落至關(guān)重要。通過采用人工干預(yù)方式對頂板進(jìn)行處理，降低由于懸頂結(jié)構(gòu)作用在煤柱上的應(yīng)力，應(yīng)力集中曲線如圖3中曲線2所示，煤柱上的應(yīng)力狀態(tài)由曲線1改變?yōu)榍€2，大大降低煤柱應(yīng)力集中程度，從而改善近距離煤層下部巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。

對于68306工作面而言，當(dāng)工作面開采后，造成煤柱應(yīng)力集中的一個主要原因就是靠近煤柱側(cè)上覆灰?guī)r頂板垮落不及時、不充分，懸頂效應(yīng)造成煤柱應(yīng)力集中，灰?guī)r、砂巖一般狀況下強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好，在工作面開采后在冒落矸石充填支撐及煤柱的支撐下，難以垮落，懸頂效應(yīng)導(dǎo)致臨近巷道礦壓顯現(xiàn)，因此需要重點對上述巖層進(jìn)行處理。

根據(jù)礦井地質(zhì)資料知，68306工作面所在的8#煤同上部6#煤之間存在3層石灰?guī)r，分別為L1、K3、L4，平均厚度分別為4.53m、7.15m和4.0m，距離巷道表面分別為0m、10.87m和23.72m，石灰?guī)r堅硬穩(wěn)定，難以垮落，是主要處理對象，因此在水力切頂時，鉆孔垂直頂板的處理深度至少要達(dá)到L4灰?guī)r以上，即27.72m以上。采用水力壓裂消除或減弱石灰?guī)r等堅硬頂板形成的懸頂效應(yīng)，切斷護(hù)巷煤柱上部堅硬厚頂板，使懸臂區(qū)冒落，更好地充填采空區(qū)，增加采空區(qū)承載載荷，降低煤柱和實體煤的載荷，改變應(yīng)力轉(zhuǎn)移和分配比例，改善底抽巷受力狀態(tài)，減少底抽巷的變形。

3 底抽巷水力切頂卸壓設(shè)計及監(jiān)測

采用水力壓裂對68306回風(fēng)巷進(jìn)行切頂，參數(shù)設(shè)計主要考慮如下三方面：

1)68306工作面所在的8#煤同上部6#煤之間存在3層石灰?guī)r，平均厚度分別為4.53m、7.15m和4.0m，距離巷道表面分別為0m、10.87m和23.72m，是主要處理對象，因此在水力壓裂切頂時鉆孔的深度在垂直方向的高度要高于灰?guī)r的深度。

2)考慮到巷道高度、鉆機(jī)尺寸、鉆桿長度、施工的便利性及推注水管的難易程度，鉆孔角度設(shè)計為50°。

3)根據(jù)理論分析成果，同時參考同類型礦井巷道卸壓實施經(jīng)驗。

設(shè)計68306回風(fēng)巷水力壓裂鉆孔的深度為36.5m，垂直頂板深度為28m，鉆孔間距為10m，鉆孔仰角為50°，壓裂孔布置如圖4所示。

圖4 水力壓裂參數(shù)設(shè)計

壓裂過程中采用同孔多段分次后退式壓裂技術(shù)[3]，采用跨式鉆孔封隔器，每個鉆孔壓裂次數(shù)不少于10次。壓裂過程中采用水壓儀監(jiān)測水壓變化，某鉆孔水力壓裂曲線見圖5所示，由壓裂曲線可以看出，對封閉段開始加壓時，壓力急劇增加，裂縫高水壓力作用下產(chǎn)生起裂，然后壓力降低，并以一種較為穩(wěn)定的壓力狀態(tài)向外擴(kuò)展，從鉆孔外側(cè)看出，經(jīng)過一定時間，臨近鉆孔會出現(xiàn)溢水現(xiàn)象。同時也可以看出該鉆孔的水壓最大為20MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于灰?guī)r的抗壓強(qiáng)度，主要是水力壓裂過程中抵抗的是巖體的抗拉強(qiáng)度和最大水平主應(yīng)力。

圖5 水力壓裂曲線

4 底抽巷水力切頂卸壓設(shè)計及監(jiān)測

由于目前對于水力壓裂的裂紋擴(kuò)展技術(shù)手段不成熟，觀測巖體內(nèi)部的裂縫擴(kuò)展存在很大的難度，為此在現(xiàn)場施工中通過宏觀觀察及安裝水壓儀的方式進(jìn)行觀測，壓裂的壓力通過水壓儀進(jìn)行測試。現(xiàn)場水力壓裂是超前回采工作面50m開始實施，即距離回采工作面端頭超前支護(hù)10m外開始逐孔壓裂，由于壓裂速度遠(yuǎn)超工作面的回采速度，因此水力壓裂不會對工作面回采產(chǎn)生影響，在現(xiàn)場施工過程中在壓裂前、后進(jìn)行鉆孔窺視分析，窺視狀況如圖6和圖7所示。由于水力壓裂后孔壁遭到破壞，多組鉆孔鉆頭無法深入，因此在本文中選擇的窺視的深度為23m，由于采用人工推桿方式進(jìn)行窺視，兩次窺視深度盡可能的保持一致但難以保證完全相同，水力壓裂前后的窺視結(jié)果顯示在13.5m處原本完整的灰?guī)r頂板出現(xiàn)了環(huán)形裂隙，在16.8m和18.7m處出現(xiàn)了縱向裂隙，在23m處煤層孔壁出現(xiàn)了明顯的巖層松軟破碎的現(xiàn)象。對于水力壓裂而言，目前觀測在高壓水的作用下巖體內(nèi)部裂紋擴(kuò)展難度非常大，單純通過對鉆孔壁的窺視無法完全確定壓裂的效果，窺視僅作為一種輔助觀測手段，目前觀測煤巖體水力壓裂現(xiàn)場實際效果主要采取兩種手段，一種是觀察臨近鉆孔的出水情況，在本次壓裂過程中，鉆孔間距為10m，在壓裂時相鄰鉆孔均有明顯的淋水現(xiàn)象；另一種是直接觀測所要卸壓的巷道變形情況，直接觀測巷道的壓力顯現(xiàn)和變形情況以反映壓裂的效果。

圖6 鉆孔結(jié)構(gòu)窺視相對位置示意圖

水力壓裂后68306工作面回采過后68306底抽巷表面位移監(jiān)測曲線如圖8所示。由圖8可以看出：在上部68306工作面回采期間，底抽巷的變形量出現(xiàn)了顯著的增加態(tài)勢，特別是當(dāng)回采工作面與底抽巷測站的相對距離為80m后，底抽巷的變形量顯著增大，但隨著時間的推移，底抽巷的變形也趨于穩(wěn)定，而相鄰的同類型巷道68309底抽巷在上部工作面回采完畢后頂?shù)装逡平扛哌_(dá)1500mm，巷道難以滿足二次使用，而采用水力壓裂切頂卸壓后，68306底抽巷的變形量能夠滿足工作面抽采瓦斯需要，取得了良好的效果。

圖7 水力壓裂后鉆孔窺視圖

圖8 底抽巷表面位移曲線

5 結(jié) 論

1)工作面采動后堅硬厚頂板易形成較長時間跨度的懸頂效應(yīng)是底抽巷長期無法穩(wěn)定、變形過大的關(guān)鍵因素。

2)水力壓裂切頂卸壓消除或減弱堅硬頂板形成的懸頂效應(yīng)，切斷護(hù)巷煤柱上部堅硬厚頂板，增加了采空區(qū)承載載荷，改變了煤柱應(yīng)力轉(zhuǎn)移和分配比例，改善了底抽巷受力狀態(tài)。

3)采用同孔多段分次后退式壓裂技術(shù)，結(jié)合跨式鉆孔封隔器，在頂板圍巖中形成了明顯的裂縫，緩解了底抽巷圍巖應(yīng)力集中，降低了底抽巷的維護(hù)難度。