沖擊地壓礦井水射流聯(lián)合水力壓裂寬煤柱卸壓技術(shù)研究

龐立寧，劉毅濤，邸晟鈞，蘇士杰，丁國利，姜 峰

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.烏審旗蒙大礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017307；3.山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030053；4.中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司葫蘆素煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；5.中煤西北能源有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200)

中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司葫蘆素煤礦21103工作面開采2-1煤，煤層平均厚度2.54m，工作面采深634～643m，自重應(yīng)力大。經(jīng)鑒定，煤層及頂板均具有沖擊傾向性，尤其煤層頂板多為厚硬的砂巖，在煤層采空后極易懸頂，導(dǎo)致采空區(qū)周邊巷道發(fā)生應(yīng)力疊加。受鄰近21102工作面采空區(qū)影響，21103工作面回風(fēng)巷礦壓顯現(xiàn)劇烈，導(dǎo)致回風(fēng)巷在21102工作面后方開始出現(xiàn)大變形，主要表現(xiàn)為強(qiáng)烈底鼓、頂板下沉，局部破壞具有沖擊地壓特征。加之21103工作面開采時(shí)，二次采動(dòng)導(dǎo)致回風(fēng)巷礦壓顯現(xiàn)更為劇烈，臨空側(cè)超前段巷道變形嚴(yán)重，影響巷道正常使用，同時(shí)沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)日益突出。21103工作面回采時(shí)，工作面后方的煤柱即將成為孤島煤柱，加之21102工作面采空區(qū)側(cè)向支承壓力的影響，在現(xiàn)有煤柱寬度下，會(huì)積聚較大的彈性能，存在沖擊地壓危險(xiǎn)。針對(duì)以上情況，進(jìn)行“鉆-切-壓”一體化卸壓技術(shù)研究，減少了21103工作面回風(fēng)巷區(qū)段煤柱內(nèi)彈性能積聚，同時(shí)為了減少煤柱卸壓對(duì)巷道支護(hù)產(chǎn)生的負(fù)面影響，進(jìn)行了定向水力壓裂切頂來減少頂板巖層向煤柱上的應(yīng)力傳遞。

1 工作面概況

21103工作面為綜合機(jī)械化一次采全高工作面，開采2-1煤，煤厚約為2.30～2.93m，該煤層結(jié)構(gòu)簡單，呈大型的寬緩波狀起伏，地層傾角一般在1°～3°，為近水平煤層，煤層普氏硬度系數(shù)f=2.5。煤層結(jié)構(gòu)整體簡單，局部含一層至兩層夾矸，夾矸巖性一般以砂質(zhì)泥巖為主，存在有中、細(xì)粒砂巖的情況，工作面頂?shù)装鍘r性見表1。21103工作面共沿煤層頂板布置3條巷道：主運(yùn)巷，輔運(yùn)巷，回風(fēng)巷(斷面尺寸5.4m×3.35m)，支護(hù)方式均采用“錨桿+錨索+鋼筋梯子梁+金屬網(wǎng)”。21103工作面一側(cè)為21102工作面采空區(qū)，一側(cè)為21104工作面，21103工作面與21102工作面和21104工作面之間存在30m寬的區(qū)段煤柱，如圖1所示。

表1 21103工作面頂?shù)装鍘r性表

圖1 21103工作面位置示意圖

2 區(qū)段煤柱弱化卸壓機(jī)理

根據(jù)礦山壓力理論“壓力拱假說”，在采場上方，由于巖層自然平衡的結(jié)果，會(huì)形成一個(gè)“壓力拱”，壓力拱拱腳位置為應(yīng)力增高區(qū)，壓力拱下方區(qū)域?yàn)闇p壓區(qū)。在對(duì)煤柱弱化前，21103工作面與21102工作面之間的區(qū)段煤柱內(nèi)會(huì)承受較大的側(cè)向支承壓力，積聚較大的彈性能，該位置處于壓力拱拱腳位置，對(duì)煤柱進(jìn)行弱化后，煤柱內(nèi)塑性變形區(qū)范圍增加，應(yīng)力會(huì)向圍巖深部轉(zhuǎn)移，壓力拱拱腳外移，此時(shí)可以減少區(qū)段煤柱內(nèi)的彈性能積聚[3，4]。

在區(qū)段煤柱內(nèi)進(jìn)行水射流切縫擴(kuò)孔在一定程度上可以破壞煤體完整性，射流切縫擴(kuò)孔產(chǎn)生的空間為煤柱內(nèi)積聚的彈性能提供了釋放空間[1，2，5]。

區(qū)段煤柱內(nèi)煤體完整性遭到破壞之后壓力拱腳外移后，21103工作面回風(fēng)巷回采側(cè)煤幫內(nèi)部，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，為防止臨近21103工作面回風(fēng)巷的21103工作面煤體彈性能積聚，減少21103工作面回風(fēng)巷沖擊地壓危害程度，也需對(duì)21103工作面回風(fēng)巷回采幫煤體進(jìn)行弱化，使得高應(yīng)力向工作面深部轉(zhuǎn)移，從而使得高應(yīng)力區(qū)遠(yuǎn)離21103工作面回風(fēng)巷。根據(jù)此思路，制定以下弱化方案。

3 區(qū)段煤柱弱化方案與實(shí)施效果

3.1 區(qū)段煤柱弱化方案設(shè)計(jì)

3.1.1 工藝參數(shù)確定

基于不同煤礦地質(zhì)條件下水力壓裂致裂區(qū)域大小是不同的這一現(xiàn)實(shí)情況，為了保證21103工作面回風(fēng)巷的水力壓裂效果，在21103工作面回風(fēng)巷未受采動(dòng)影響區(qū)域進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，并以此確定“鉆-切-壓”一體化卸壓技術(shù)工藝參數(shù)，通過現(xiàn)場監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，葫蘆素煤礦21103工作面回風(fēng)巷附近區(qū)域水力壓裂擴(kuò)散半徑達(dá)12～15m，因此確定煤層壓裂孔間距為24m。煤層壓裂孔和煤層切縫孔深度的確定是基于兩方面原因：①21103工作面回風(fēng)巷煤柱幫安裝的應(yīng)力計(jì)顯示5～12m為應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力峰值位于8m處；②現(xiàn)場試驗(yàn)打鉆過程中也發(fā)現(xiàn)，鉆孔打至5m時(shí)，鉆屑量明顯增加，一直到12m時(shí)，鉆屑量才降下來，這說明15m深鉆孔足以穿透應(yīng)力峰值區(qū)。

3.1.2 弱化方案

如圖2所示，在巷道兩幫布置鉆孔進(jìn)行水力壓裂，形成大范圍煤層破裂區(qū)，鉆孔直徑75mm，孔深15m，孔間距24m，垂直于巷幫布置，每孔壓裂2次，采用封隔器壓裂。水力壓裂對(duì)煤體進(jìn)行了初步弱化，而后在壓裂孔之間進(jìn)行鉆孔射流切縫擴(kuò)孔(在初步弱化煤體內(nèi)進(jìn)行射流切縫擴(kuò)孔的效果優(yōu)于堅(jiān)硬完整煤體)，具體步驟為：射流鉆孔布置完畢后，在不退鉆桿的情況下，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)高壓水射流切縫，鉆孔直徑127mm，孔深15m，孔間距6m，割縫條數(shù)3條/孔，縫間距4m，淺部切縫距離巷道表面7m。

圖2 煤幫“鉆-切-壓”一體化卸壓方案

3.2 區(qū)段煤柱“鉆-切-壓”效果檢驗(yàn)

3.2.1 水壓監(jiān)測(cè)

為了分析裂隙擴(kuò)展情況，采用專用高壓記錄儀對(duì)水力壓裂過程中壓裂壓力的變化情況進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。水壓數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，水力壓裂過程中泵壓最高時(shí)可達(dá)45MPa，這說明部分地點(diǎn)煤體致密、強(qiáng)度較高、完整性好。水壓曲線總體呈現(xiàn)三種形態(tài)：

21103回風(fēng)巷某一壓裂孔壓裂曲線如圖3(a)所示，壓裂初期存在一次壓力降，加壓約4min后壓力驟降7MPa，同時(shí)15m外鉆孔開始出水，之后繼續(xù)加壓，壓力上升不明顯，附近鉆孔持續(xù)出水。

圖3 水力壓裂過程水壓監(jiān)測(cè)曲線

壓裂孔2壓裂曲線如圖3(b)所示，第一次增壓至30MPa，維持約1min后壓力驟降12MPa，表明裂縫第一次擴(kuò)展；第二次增壓至41MPa，之后驟降15MPa，表明裂紋第二次擴(kuò)展；第三次增壓至39MPa，之后驟降至23MPa，表明裂縫第四次擴(kuò)展，約2min后，裂縫再次大幅擴(kuò)展，壓力驟降至0；之后再次增壓無效。

壓裂孔3壓裂曲線如圖3(c)所示，壓力增加至30MPa左右后，保持了30min的穩(wěn)定狀態(tài)，壓裂曲線基本平直。這表明裂縫穩(wěn)步擴(kuò)展，并形成了穩(wěn)定水流擴(kuò)展通道。

在水力壓裂過程中，能觀測(cè)到致裂孔兩側(cè)鉆孔持續(xù)流水，說明鉆孔之間煤體已經(jīng)被水力壓裂產(chǎn)生的裂隙所弱化。

3.2.2 鉆孔窺視

為了掌握鉆孔內(nèi)射流效果，采用鉆孔窺視儀對(duì)煤體“鉆-切-壓”鉆孔進(jìn)行了窺視，如圖4所示。通過鉆孔窺視結(jié)果可以看出，高壓水射流可以在煤體內(nèi)產(chǎn)生寬度4～6mm的人工切縫，人工射流切縫的環(huán)向?qū)挾纫脖容^均勻。與之形成鮮明對(duì)比的是，自然裂縫的寬度較小，且寬度不均勻。

圖4 水射流切縫效果

煤層鉆孔后，利用高壓水射流技術(shù)孔內(nèi)切縫擴(kuò)孔，大幅提高單孔卸壓范圍和強(qiáng)度，在減少對(duì)巷道支護(hù)段的破壞的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)深部高應(yīng)力區(qū)強(qiáng)力卸壓，“鉆孔-壓裂-切縫組合工藝”可最大限度的弱化煤體強(qiáng)度，卸壓效率是常規(guī)鉆孔的數(shù)倍以上，尤其適用于堅(jiān)硬沖擊地壓煤層。

21103工作面回風(fēng)巷區(qū)段煤柱弱化后，勢(shì)必會(huì)對(duì)21103工作面回風(fēng)巷臨空煤柱側(cè)支護(hù)產(chǎn)生負(fù)面影響，為了改善巷道支護(hù)環(huán)境，可進(jìn)行定向水力壓裂切頂來減少頂板巖層向煤柱上的應(yīng)力傳遞。

4 臨空煤柱切頂卸壓機(jī)理

由于受到采空區(qū)側(cè)向懸頂(懸臂梁結(jié)構(gòu))自重及彎曲下沉產(chǎn)生的高附加應(yīng)力的影響，臨采空區(qū)煤柱始終處于高應(yīng)力狀態(tài)。影響臨采空區(qū)煤柱內(nèi)支承壓力水平的主要因素有：采空區(qū)側(cè)向懸頂塊體B的長度厚度(直接影響懸臂塊體在采空區(qū)懸露部分的自重)、懸臂塊體B受到的與其形成鉸接結(jié)構(gòu)的巖塊C給其的鉸接反力[7-9，14]。臨采空區(qū)巷道頂板大深度定向水力壓裂切頂卸壓技術(shù)手段，通過設(shè)計(jì)合理的定向水力壓裂參數(shù)，可以切斷臨空煤柱側(cè)向懸頂，從而阻斷向臨采空區(qū)煤柱傳遞高應(yīng)力的力源，緩和了臨采空區(qū)煤柱的應(yīng)力環(huán)境，降低了臨空煤柱上的支承壓力[1，6]，切頂卸壓原理如圖6所示；同時(shí)定向水力壓裂切落下的冒落矸石會(huì)充填部分采空區(qū)，減少了上覆高位巖層的回轉(zhuǎn)空間，支撐了上覆呈“長懸臂梁”結(jié)構(gòu)的高位巖層，某種程度上降低了復(fù)合“懸臂梁-鉸接巖梁”結(jié)構(gòu)內(nèi)C巖塊對(duì)B巖塊的鉸接反力，定向水力壓裂切頂卸壓前后臨采空區(qū)煤柱上方和側(cè)向頂板覆巖結(jié)構(gòu)特征如圖5和6所示。其中K代表矸石壓縮剛度，S1代表“懸臂長梁”結(jié)構(gòu)巖塊B的下伏矸石壓縮量，S2代表與懸臂巖塊B呈鉸接結(jié)構(gòu)的巖塊C的下伏矸石壓縮量。

圖5 水力壓裂切頂卸壓前后煤柱內(nèi)應(yīng)力變化圖

圖6 切頂卸壓原理圖

國內(nèi)外研究及應(yīng)用表明，采用定向水力壓裂技術(shù)可在巷道高應(yīng)力巖層中形成一個(gè)弱化帶，從而削弱巷道周圍的高應(yīng)力或?qū)⒏邞?yīng)力轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)離巷道的煤巖體，緩解側(cè)向和殘余支承壓力對(duì)采區(qū)巷道穩(wěn)定性的影響，達(dá)到巷道卸壓、緩解片幫和底鼓的目的。

5 臨空煤柱切頂卸壓方案與實(shí)施效果

5.1 臨空煤柱切頂卸壓方案設(shè)計(jì)

為了確定頂板中水力壓裂擴(kuò)散半徑，在距超前工作面約600m以外21103主運(yùn)巷頂板較完整區(qū)域布置了不同深度試驗(yàn)壓裂孔和檢測(cè)孔進(jìn)行了壓裂效果檢驗(yàn)，淺孔(孔深15m)壓裂效果檢驗(yàn)表明，單次壓裂半徑約9～15m，多次壓裂半徑約15m，深孔壓裂效果檢驗(yàn)表明，頂板往上30～50m范圍壓裂時(shí)，裂隙擴(kuò)展半徑大于7.5m，因此確定水力壓裂切頂孔孔間距15m。

針對(duì)21102采空區(qū)堅(jiān)硬懸頂，采用高壓水泵配合專用高壓切縫鉆桿、高壓封隔器，進(jìn)行超前定向水力壓裂切頂。定向水力壓裂切頂孔單排布置，傾角分為兩種：一種傾角45°，孔深57m，在57m和43m位置射流切縫；一種傾角30°，孔深46m，在46m和34m位置射流切縫。兩種切頂孔孔徑均60mm，孔間距15m，定向水力壓裂切頂孔布置如圖7所示。

圖7 21103工作面回風(fēng)巷定向水力壓裂切頂孔布置圖

圖8 切頂前后煤層應(yīng)力變化過程監(jiān)測(cè)

5.2 臨空煤柱切頂卸壓實(shí)施效果

在切頂卸壓前，在采空區(qū)側(cè)向懸頂?shù)挠绊懴拢?1103回風(fēng)巷11#應(yīng)力計(jì)應(yīng)力值持續(xù)升高，如圖8所示，在進(jìn)行了定向水力壓裂切頂之后，該區(qū)域煤層應(yīng)力值降幅達(dá)到6～10MPa，表明切頂卸壓效果顯著。

6 效果監(jiān)測(cè)

1)對(duì)區(qū)段煤柱和回采側(cè)煤體弱化前后應(yīng)力的變化情況進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)弱化后弱化區(qū)域內(nèi)應(yīng)力有了明顯降低，應(yīng)力峰值降幅可達(dá)6～10MPa。

2)同時(shí)對(duì)21103工作面回風(fēng)巷內(nèi)頂?shù)装搴蛢蓭妥冃瘟窟M(jìn)行了觀測(cè)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)臨空煤柱切頂區(qū)域的巷道頂?shù)装鍑鷰r變形量明顯減小，兩幫移近量平均減小210mm，頂?shù)装逡平科骄鶞p小290mm。這說明，區(qū)段煤柱弱化和臨空煤柱切頂卸壓技術(shù)方案取得了良好的效果。