五陽煤礦工作面運(yùn)輸巷水壓預(yù)裂卸壓應(yīng)用實(shí)踐

（潞安環(huán)保能源股份公司五陽煤礦，山西 長(zhǎng)治 046205）

1 概況

五陽煤礦7609運(yùn)輸巷斷面較大，地處+600水平76采區(qū)北翼，其實(shí)際平均埋深在580 m左右。該巷道其北部與7609規(guī)劃工作面相鄰，其南部與7607回采工作面相鄰，西部與76南部放水巷相鄰，東部與76準(zhǔn)備巷道相鄰。按照工作面具體設(shè)計(jì)要求，7609運(yùn)輸巷應(yīng)設(shè)計(jì)為走向長(zhǎng)1355m，寬度在5.5 m左右，高度在3.5 m左右的矩形斷面。7609運(yùn)輸巷在進(jìn)行掘進(jìn)施工時(shí)，可從7609切眼停掘處來開口，可沿3#煤層頂板方向且與7609切眼成88.5°夾角先掘進(jìn)1290m，再以131°夾角方向拐中掘進(jìn)至與7607運(yùn)輸巷頂最終貫通。

7609工作面開采二疊系下統(tǒng)山西組中下部3#煤，煤層穩(wěn)定，厚度大，為本區(qū)主要可采煤層之一。根據(jù)窺視報(bào)告，3#煤層厚度為4.18～6.91m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含2層夾矸，厚度為0～0.80m，巖性為泥巖或炭質(zhì)泥巖。3#煤層頂板以泥巖與砂質(zhì)泥巖為主，局部夾雜著部分粉砂巖或中細(xì)粒砂巖，其厚度0.10～5.90 m之間；3#煤層的底板以泥巖與砂質(zhì)泥巖為主，局部為細(xì)粒砂巖或粉砂巖，厚度為0.20～9.13 m。根據(jù)鄰近的7607工作面實(shí)際揭露情況，3#煤層賦存穩(wěn)定，平均厚度5.68m，含兩層夾矸，分三個(gè)自然分層，結(jié)構(gòu)為5.68=1.49（0.01）2.97（0.11）1.10。煤體結(jié)構(gòu)為原生結(jié)構(gòu)煤，煤巖類型以亮煤為主，暗煤次之，煤質(zhì)為貧瘦煤，7609運(yùn)輸巷煤層頂?shù)装鍘r性情況見圖1。

圖1 7609運(yùn)輸巷煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖

2 水壓預(yù)裂卸壓設(shè)計(jì)

2.1 圍巖分析

可根據(jù)采煤工藝與煤巖層綜合地質(zhì)情況特點(diǎn)，對(duì)工作面頂板覆巖實(shí)際運(yùn)移情況開展理論計(jì)算與分析。工作面頂板裂隙帶巖梁的位置也就是上位老頂回轉(zhuǎn)變形巖梁的主要位置，可按照以下公式來對(duì)進(jìn)入裂隙帶老頂?shù)膸r層情況進(jìn)行計(jì)算。

式中：Hi為從下至上第i層老頂巖層具體厚度，m；Hi′為從下而上第i層老頂分層的具體厚度，m；M為煤層實(shí)際采高，m；Ki為老頂以及該老頂?shù)母郊訋r層的巖石具體碎脹系數(shù)，通常Ki可取1.15～1.33之間；Kz為老頂及該老頂?shù)母郊訋r層的巖石具體碎脹系數(shù)，通常Kz可取1.33～1.5之間；H為直接頂?shù)暮穸却笮?，m。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入上述公式，可得出第1層老頂巖層，即平均厚度4.29m細(xì)粒砂巖為裂隙帶巖層，其下巖層為冒落帶巖層。因此，壓裂鉆孔垂深應(yīng)達(dá)到第1層老頂巖層以上，即巷道頂板以上平均7.68 m。為最大程度保證切頂卸壓效果，切頂卸壓位置應(yīng)盡可能更深。

2.2 鉆孔參數(shù)

（1）鉆孔參數(shù)

可從7607運(yùn)輸巷的巷道頂板處進(jìn)行壓裂鉆孔開口，與煤柱側(cè)巷幫相距1.8 m左右。鉆孔長(zhǎng)度控制在46 m左右，仰角控制在60°左右，與巷道走向夾角控制在15°左右，鉆孔間距控制在10 m左右。應(yīng)選用Φ56 mm的保徑加強(qiáng)鉆頭來開展鉆進(jìn)作業(yè)，共需鉆11個(gè)孔?？砂磮D2中的布局來進(jìn)行7607運(yùn)輸巷頂板水壓預(yù)裂鉆孔。

（2）施工要求

可每間隔3 m進(jìn)行一次壓裂，壓裂時(shí)可采用后退式單孔多次壓裂方式進(jìn)行壓裂，具體可參照鉆孔窺視情況來科學(xué)合理的調(diào)整壓裂次數(shù)，當(dāng)壓裂至與孔口相距10m的距離時(shí)停止壓裂。此外，在壓裂過程中，如果發(fā)現(xiàn)頂板出現(xiàn)較大的異響或出現(xiàn)大面積出水時(shí)，應(yīng)及時(shí)停止壓裂。

圖2 7607運(yùn)輸巷水壓預(yù)裂鉆孔布置

2.3 壓裂參數(shù)

根據(jù)頂板巖層地應(yīng)力場(chǎng)情況與巖層強(qiáng)度大小，可通過下式來準(zhǔn)確計(jì)算裂縫起裂壓力大?。?/p>

在實(shí)際作業(yè)中，因受裂紋擴(kuò)展，濾失以及變向等因素的影響，加之應(yīng)留有一定富裕系數(shù)，最終確定出高壓注水泵的壓力應(yīng)為62MPa左右，其流量應(yīng)為80 L/min左右，其電機(jī)功率為90 kW左右，所用電壓應(yīng)為660 V或1140 V，然后再依據(jù)這些參數(shù)來尋找與之匹配的開關(guān)與電纜。

2.4 注水壓裂

在實(shí)際進(jìn)行壓裂作業(yè)時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)備兩套水路管線，因?yàn)樾枰M(jìn)行封孔與高壓水力壓裂。在進(jìn)行封孔作業(yè)時(shí)，應(yīng)按照?qǐng)D3來連接封孔系統(tǒng)。

圖3 所用封孔系統(tǒng)的安裝與連接情況

按照井下試驗(yàn)條件與具體試驗(yàn)要求，可以用膨脹介質(zhì)為水、采用以纖維加強(qiáng)的橡膠材料作為彈性膜的跨式膨脹型封隔器來實(shí)施壓裂段的封孔作業(yè)。

膨脹型封隔器封孔見圖4。

圖4 膨脹型封隔器封孔

高壓水力壓裂：在實(shí)際作業(yè)中，可按圖5來安裝與連接高壓注水系統(tǒng)。

圖5 高壓注水系統(tǒng)的安裝與連接

壓裂過程由水壓數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，頂板水壓預(yù)裂數(shù)據(jù)采集儀的測(cè)量信號(hào)源采用的是進(jìn)口硅應(yīng)變式壓力傳感器，監(jiān)測(cè)可通過觀察高壓水泵的實(shí)際出口壓力，對(duì)壓力變化曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，可用大屏幕液晶顯示器來顯示結(jié)果，并把采集結(jié)果傳送給計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)來處理計(jì)算。該儀器可根據(jù)壓力-時(shí)間曲線形狀分析水壓預(yù)裂過程，如裂縫的起裂、擴(kuò)展及裂縫擴(kuò)展變化過程，作為判斷壓裂是否成功的一個(gè)重要手段。

3 實(shí)施過程

為了減小7607工作面回采對(duì)7609運(yùn)輸巷的動(dòng)壓影響，在7607運(yùn)輸巷進(jìn)行水壓預(yù)裂施工，對(duì)7609運(yùn)輸巷頂板起到卸壓作用。試驗(yàn)段避開地質(zhì)構(gòu)造異常帶和設(shè)備機(jī)車段，超前7607采煤工作面200 m。2018年5月在7607運(yùn)輸巷進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，選定試驗(yàn)地點(diǎn)，通過采用鉆取巖芯、鉆孔窺視、礦壓觀測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)試及歷史鉆孔資料分析等手段，詳細(xì)考察試驗(yàn)地點(diǎn)圍巖及力學(xué)特性，并進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)測(cè)量；6月根據(jù)各種力學(xué)特性詳細(xì)制定了該項(xiàng)目施工方案；7月開始準(zhǔn)備水力預(yù)裂設(shè)備；7～9月由我礦探放水隊(duì)打設(shè)鉆孔并進(jìn)行施工。

試驗(yàn)1#、4#孔發(fā)現(xiàn)，孔底段鉆孔堵塞、封孔器卡孔，導(dǎo)致無法壓裂，試驗(yàn)不理想，對(duì)鉆孔進(jìn)行了補(bǔ)設(shè)、重新壓裂，其余鉆孔均正常壓裂，水力壓裂第一段（28～36 m）達(dá)到23～25MPa，第二段（18～25 m）達(dá)到15MPa時(shí)，頂板巖石出現(xiàn)壓裂，相鄰鉆孔出現(xiàn)反水，壓裂效果良好。

4 壓裂效果監(jiān)測(cè)

4.1 錨桿錨索測(cè)力計(jì)監(jiān)測(cè)

7609運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間已在巷道內(nèi)布置5組錨桿錨索測(cè)力計(jì)，用于監(jiān)測(cè)巷道頂板壓力變化情況。通過高頻次收集壓裂前后的第三組、第四組數(shù)據(jù)來監(jiān)測(cè)壓裂效果。選取數(shù)據(jù)分析范圍：2018年6月5日7607工作面回采距該測(cè)站前80 m開始，直至2018年11月22日通過該測(cè)站200 m以上截止；數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見圖6。

圖6 7609運(yùn)輸巷第三、四組測(cè)力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

4.2 煤柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)

為了研究動(dòng)壓巷道切頂后煤柱的受力變化規(guī)律，在7609運(yùn)輸巷壓裂段布置兩組煤柱應(yīng)力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)分站，安設(shè)鉆孔應(yīng)力計(jì)，以對(duì)比分析壓裂前后煤柱所受應(yīng)力變化情況。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見圖7。

圖7 7609運(yùn)輸巷第一、二組測(cè)力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

4.3 液壓支架阻力監(jiān)測(cè)

在7607運(yùn)輸巷機(jī)頭1#～6#端頭液壓支架安裝了6個(gè)頂板壓力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過這些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來對(duì)7607工作面液壓支架的具體工作阻力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)對(duì)工作面機(jī)頭位置的液壓支架實(shí)際工作阻力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而來對(duì)壓裂前后工作面周期來壓步距與來壓強(qiáng)度的不同進(jìn)行比較。同時(shí)，可依據(jù)工作面實(shí)際回采情況，來對(duì)切頂巷道7607運(yùn)輸巷工作面后方頂板垮落情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而來對(duì)頂板壓裂卸壓效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

5 結(jié)語

1）實(shí)踐驗(yàn)證，對(duì)頂板進(jìn)行水壓預(yù)裂可有效降低回采工作面對(duì)臨巷的擾動(dòng)影響，尤其對(duì)頂板壓力可得到有效釋放，后期掘進(jìn)過程中壓力顯現(xiàn)大幅度減弱，使巷道變形、底鼓量、原支護(hù)錨桿、錨索發(fā)生失效等現(xiàn)象較壓裂前均有所減少，直接減少巷道二次維護(hù)成本。

2）通過對(duì)錨桿錨索測(cè)力計(jì)、煤柱應(yīng)力計(jì)數(shù)據(jù)分析，可觀察、摸索回采工作面回采期間礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，在監(jiān)測(cè)壓裂效果的同時(shí)，也為回采工作面初次來壓、周期來壓、來壓步距等提供一定數(shù)據(jù)參考。本次數(shù)據(jù)分析中可知，7607工作面推進(jìn)30～40m時(shí)，7609運(yùn)輸巷礦壓開始顯現(xiàn)；當(dāng)推進(jìn)110 m左右時(shí)，7609運(yùn)輸巷礦壓達(dá)到峰值；當(dāng)推進(jìn)125 m后，7609運(yùn)輸巷礦壓顯現(xiàn)趨于穩(wěn)定。

3）通過對(duì)煤柱應(yīng)力計(jì)數(shù)據(jù)分析，如選取更多不同埋深的測(cè)點(diǎn)，通過定期收集、觀察動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)變化，根據(jù)煤柱受力大小來基本確定煤柱留設(shè)最佳寬度。

通過本次頂板預(yù)裂卸壓技術(shù)實(shí)踐，以理論分析為指導(dǎo)，以數(shù)據(jù)分析為研究手段，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，完善井下水力壓裂頂板控制技術(shù)與裝備，形成基于水壓預(yù)裂的動(dòng)壓巷道留巷成套技術(shù)與工藝。應(yīng)用實(shí)踐表明，該技術(shù)有助于降低強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道圍巖采動(dòng)應(yīng)力影響程度，提高動(dòng)壓巷道服務(wù)年限，提升動(dòng)壓巷道頂板管理水平，同時(shí)可為今后類似巷道護(hù)巷技術(shù)提供了科學(xué)、可靠的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，切實(shí)保障礦井安全高效生產(chǎn)。