堅(jiān)硬頂板巷道水力壓裂切頂卸壓一體化控制技術(shù)

李 挺

(西山煤電股份有限公司 馬蘭礦, 山西 太原 030205)

山西西山煤電股份有限公司馬蘭礦8#煤層的18509工作面頂板堅(jiān)硬，存在一層厚硬的灰?guī)r和砂巖層，強(qiáng)度高，完整性強(qiáng)，端頭頂板懸而不斷，采取退錨措施后，懸頂距離依然達(dá)到10～30 m，突然垮落會(huì)將采空區(qū)瓦斯擠出，造成瓦斯超限。18509工作面在回采過(guò)程中會(huì)與正在掘進(jìn)的18507皮帶巷相遇，強(qiáng)采動(dòng)應(yīng)力會(huì)造成巷道圍巖壓力加大，出現(xiàn)片幫、底鼓等現(xiàn)象，巷道難以維護(hù)，急需處理。

目前，常用的切頂方法有深孔爆破和水力壓裂等，深孔爆破應(yīng)用很廣泛[1-6]，但對(duì)于煤與瓦斯突出礦井，爆破的安全性低，成本高，爆破作業(yè)容易影響工作面的正?；夭桑欢毫咽墙臧l(fā)展起來(lái)一種安全高效的切頂卸壓技術(shù)，采用井下水為原材料，取材方便，施工快速。馬蘭礦屬于煤與瓦斯突出礦井，采用高效水力壓裂卸壓技術(shù)，弱化頂板力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)堅(jiān)硬頂板的高效預(yù)裂，在治理18509輔運(yùn)巷端頭懸頂?shù)耐瑫r(shí)，對(duì)18507皮帶巷也起到了保護(hù)作用。

1 工作面概況

18509工作面傾斜長(zhǎng)度240 m，走向長(zhǎng)度1 359 m，地面標(biāo)高1 225～1 337 m，工作面標(biāo)高784.3～836.9 m，埋深450～500 m. 工作面所采煤層為石炭系太原組8#煤層，屬穩(wěn)定可采厚煤層，煤層厚度3.86～4.85 m，平均4.35 m. 煤層傾角0°～9°，平均角度2°. 絕對(duì)瓦斯涌出量44 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量8.27 m3/t，瓦斯壓力0.43 MPa.

18509工作面柱狀圖見(jiàn)圖1，直接頂為灰?guī)r，最大厚度達(dá)3.31 m，平均厚度2.05 m，堅(jiān)硬穩(wěn)定，普氏系數(shù)最高時(shí)可達(dá)到10以上；基本頂為中砂巖，平均厚度達(dá)3.88 m，普氏系數(shù)達(dá)到7. 18509工作面頂板堅(jiān)硬穩(wěn)定，同采區(qū)臨近工作面回采期間端頭懸頂距離一般在10～30 m，同時(shí)18507工作面臨近18509回采工作面掘進(jìn)，18509工作面布置見(jiàn)圖2，凈煤柱寬度20 m，如果18509工作面頂板垮落不及時(shí)充分，會(huì)導(dǎo)致煤柱上賦存著巨大的支承壓力，容易引起臨近巷道礦壓顯現(xiàn)，已有實(shí)踐證明巷道易出現(xiàn)明顯的底鼓、片幫、炸頂現(xiàn)象。

圖1 鉆孔柱狀圖

圖2 18509工作面布置示意圖

2 控制思路

控制工作面端頭懸頂和解決臨近動(dòng)壓巷道應(yīng)力集中問(wèn)題，可采用水力壓裂切頂卸壓技術(shù)，頂板水力壓裂可人工增加裂縫的數(shù)目，在堅(jiān)硬頂板中形成水壓裂縫網(wǎng)絡(luò)，破壞其整體性，促使端頭懸頂及時(shí)垮落；工作面回采產(chǎn)生的超前和側(cè)向支承應(yīng)力主要通過(guò)煤層上方的關(guān)鍵巖層進(jìn)行傳遞。因此，對(duì)煤柱上方的頂板采用水力壓裂，可有效切斷采動(dòng)應(yīng)力的傳遞路徑，控制臨近巷道的變形。

端頭懸頂?shù)念A(yù)裂對(duì)象主要為低位巖層，控制動(dòng)壓的預(yù)裂對(duì)象主要為煤柱上方的泥灰?guī)r和砂巖，因?yàn)樵搸r層是產(chǎn)生采動(dòng)應(yīng)力的主要力源，因此確定水力壓裂的頂板層位為0～13.5 m. 此外，端頭懸頂?shù)拇嬖谝矠榕R空巷道增加了附加載荷，因此，采用“低位致裂+高位弱化”的控制思路，可同時(shí)解決端頭懸頂治理和動(dòng)壓巷道的控制問(wèn)題。控制原理圖見(jiàn)圖3.

圖3 水力壓裂“端頭懸頂治理+動(dòng)壓護(hù)巷”的控制原理圖

3 頂板水力壓裂技術(shù)和工藝

水力壓裂技術(shù)可有效削弱頂板的強(qiáng)度和整體性，使端頭懸頂頂板能夠分層分次及時(shí)垮落，縮短初次來(lái)壓和周期來(lái)壓步距，減小或消除堅(jiān)硬難垮頂板對(duì)工作面回采及緊鄰臨空巷道帶來(lái)的超前和側(cè)向支承應(yīng)力，避免工作面受動(dòng)壓影響造成的巷道變形，片幫、底鼓等現(xiàn)象。水力壓裂技術(shù)主要包括壓裂鉆孔鉆進(jìn)、鉆孔開(kāi)槽、封孔、頂板水力壓裂及效果監(jiān)測(cè)5部分。

水力壓裂的工藝原理見(jiàn)圖4，水力壓裂系統(tǒng)主要包括：高壓系統(tǒng)(泵+水箱+高壓膠管+電控箱)、送裝桿、封隔器、水壓裂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。施工流程為鉆孔—安裝封隔器—開(kāi)泵壓裂—停泵卸壓—再次定位封隔器，依次循環(huán)。全部設(shè)備和材料均可重復(fù)使用，初期投資低，長(zhǎng)期消耗率也較低。

圖4 水力壓裂工藝原理圖

4 頂板水力壓裂方案

端頭懸頂和動(dòng)壓巷道水力壓裂一體化控制技術(shù)方案見(jiàn)圖5，在18509輔運(yùn)巷施工鉆孔并壓裂。

圖5 端頭懸頂和動(dòng)壓巷道水力壓裂鉆孔布置圖

每隔10 m布置一組鉆孔，每組鉆孔包括3個(gè)鉆孔，分別為孔A、孔B、孔C. 孔A和孔B主要用于壓裂端頭懸頂，呈三花布置，孔B和孔C主要用于壓裂煤柱上方頂板，呈扇形布置。其中，孔B同時(shí)兼顧端頭懸頂和動(dòng)壓巷道壓裂的作用。

鉆孔A貼正幫平行巷道向采空區(qū)方向施工，開(kāi)孔位置距離巷幫500 mm，仰角為45°，鉆孔長(zhǎng)度10 m；鉆孔B貼副幫向采空區(qū)后方施工，開(kāi)孔位置距離巷幫500 mm，方位角為偏離巷道方向10°，仰角45°，鉆孔長(zhǎng)度為19 m；鉆孔C垂直巷幫斜向煤柱頂板施工，仰角42°，鉆孔長(zhǎng)度20 m.

鉆孔A、B、C均d60 mm. 鉆孔A壓裂3段，孔B和孔C壓裂5段，兩段之間的間距平均為3 m，具體見(jiàn)圖5c)，每段的壓裂時(shí)間控制在30 min.

由于頂板條件會(huì)變化，在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)鉆孔施工情況和水力致裂情況對(duì)鉆孔長(zhǎng)度、間距等參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整；在后期壓裂過(guò)程中，如果僅依靠孔B和孔C即可達(dá)到壓裂效果，可考慮微調(diào)施工方案，取消鉆孔A.

為了增加水力壓裂過(guò)程中裂縫的數(shù)量，需采用大排量壓裂泵，泵的排量確定為118 L/min. 由于灰?guī)r頂板的強(qiáng)度較高，f系數(shù)接近10，抗拉強(qiáng)度為8～13 MPa，且最小主應(yīng)力為7.8 MPa，再按照2倍的富余系數(shù)考慮，泵需要提供40 MPa以上的壓力。

5 結(jié) 論

分析了堅(jiān)硬頂板水力壓裂切頂卸壓控制思路、工藝原理及鉆孔布置方式對(duì)壓裂效果的影響，提出采用“低位致裂+高位弱化”水力壓裂卸壓設(shè)計(jì)方案，并現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施應(yīng)用。結(jié)果表明：

1) 采用水力壓裂后，有效解決了工作面端頭懸頂問(wèn)題，與實(shí)施水力壓裂前相比，端頭懸頂長(zhǎng)度由原先的12～20 m減小至3～5 m，滿足工作面安全回采需要。

2) 采用水力壓裂切頂技術(shù)，使得臨近煤柱上覆頂板垮落及時(shí)充分，減少煤柱上應(yīng)力集中。與實(shí)施水力壓裂前相比，18507皮帶巷礦壓顯現(xiàn)降低，巷道變形以底鼓為主，底鼓最大值為215 mm，頂板、左、右?guī)妥冃瘟枯^小，最大值分別為52 mm、46 mm和53 mm. 未實(shí)施水力壓裂的鄰近巷道圍巖變形也以底鼓為主，但底鼓最大值在1 000 mm以上，頂板下沉量可達(dá)600 mm，左幫和右?guī)鸵平吭?50 mm以上。

實(shí)施水力壓裂切頂卸壓，有效解決了堅(jiān)硬頂板工作面端頭懸頂及鄰近工作面巷道強(qiáng)采動(dòng)應(yīng)力引起的巷道片幫、底鼓問(wèn)題，可以廣泛推廣使用。