動壓影響巷道水力壓裂切頂卸壓技術(shù)研究

李文龍

(晉煤集團晉圣公司，山西 晉城 048012)

為了減少巷道掘進率，通常將多巷準備的工作面的一條或者兩條回采巷道保留下來為下一工作面采用[1，2]。在回采過程中工作面上隅角常出現(xiàn)頂板不能及時垮落，導(dǎo)致采空區(qū)后大面積方懸頂，側(cè)向煤柱及所留回采巷道頂板應(yīng)力集中[3-9]。切頂卸壓是采用動力或靜態(tài)作用力的方式對綜采(放)工作面兩側(cè)回采巷道頂板進行預(yù)先弱化處理，使工作面回采之后采空區(qū)側(cè)頂板及時垮落并充填采空區(qū)，避免因大面積懸頂或頂板垮落對相鄰工作面回采巷道造成的動壓影響[10]。國內(nèi)外學(xué)者對切頂卸壓開展了廣泛探索，提出了一些常用的切頂方法，例如：深孔預(yù)裂爆破、靜態(tài)膨脹破裂、水力壓裂、氣相相變壓裂等[11-15]。水力壓裂切頂卸壓技術(shù)可有效壓裂巷道煤柱側(cè)的堅硬難垮頂板，消除或者轉(zhuǎn)移支承壓力，具有操作簡單、安全、擴散范圍廣等優(yōu)點，其技術(shù)經(jīng)濟效益明顯[16]。本文提出采用定向水力壓裂技術(shù)對護巷煤柱側(cè)頂板進行切頂卸壓處理，以解決動壓巷道掘進過程中保留回采巷道維護困難問題。

1 工作面概況

山西長平煤業(yè)有限責(zé)任公司是山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責(zé)任公司下屬的大型礦井，礦井位于高平市西北17km處，主采3#煤層和15#煤層。地層綜合柱狀圖如圖1所示。Ⅲ4321綜采工作面為大采高工作面，走向長703m，傾斜長195m，埋深452～563m，開采3#煤層，煤層厚度5.52m，平均傾角4°。Ⅲ4321綜采工作面的西側(cè)為尚未布置的Ⅲ4322綜采工作面，工作面布置如圖2所示。長平煤礦為高瓦斯礦井，為保證回采過程通風(fēng)，在Ⅲ4321綜采工作面回風(fēng)側(cè)設(shè)置兩條巷道，即Ⅲ43211巷和Ⅲ43212巷，并在兩巷之間的煤柱中布置回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷。

圖1 地層綜合柱狀圖

圖2 工作面布置及水力壓裂鉆孔布置

為緩解采掘銜接問題，減少巷道掘進量，準備將Ⅲ43212巷保留下來，以備Ⅲ4322綜采工作面回采過程使用。然而，受Ⅲ4321工作面回采引起的超前支承壓力和側(cè)向應(yīng)力的影響，巷道圍巖處于高應(yīng)力區(qū)，圍巖變形嚴重，維護難度極大。因此，提出采用水力壓裂技術(shù)切斷巷道上方頂板，使其在Ⅲ4321工作面回采后快速旋轉(zhuǎn)垮落，將巷道周圍的高應(yīng)力削弱或轉(zhuǎn)移到遠離巷道的煤巖體內(nèi)部。

根據(jù)大采高綜采工作面礦壓控制理論[19]，結(jié)合Ⅲ4321綜采工作面一次采全高采煤工藝的特點和煤巖層綜合地質(zhì)柱狀圖，計算出工作面頂板裂隙帶高度達到了第2層老頂巖梁，即細粒砂巖及其上部巖層位于裂隙帶，其下部巖層位于冒落帶。因此，壓裂鉆孔垂深應(yīng)達到第2層老頂巖梁以上，為保證切頂卸壓效果，切頂卸壓位置應(yīng)盡可能更深。

2 動壓巷道水力壓裂切頂卸壓模擬分析

2.1 模擬條件確定

采用二維平面應(yīng)變模型，模擬研究巷道水力壓裂切頂卸壓規(guī)律，為現(xiàn)場工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。模型的幾何尺寸為80m×60m，其中煤層厚度5.5m，頂板厚度47.5m，底板厚度7.0m，如圖3所示。經(jīng)初步設(shè)計，在Ⅲ43211巷煤柱側(cè)布置1排壓裂鉆孔，鉆孔布置在頂板距巷幫0.5～1m處，鉆孔直徑56mm，鉆孔長度為40m，鉆孔與巷道軸線方向夾角為15°，沿巷道軸向方向，仰角角度為70°，鉆孔間距為10m。

圖3 水力壓裂切頂卸壓的物理模型

模型左側(cè)、底側(cè)為滑動邊界，上側(cè)受覆巖重力12MPa，右側(cè)受水平側(cè)向壓力10MPa，煤層頂板和底板對水而言為無滲透邊界。有效應(yīng)力系數(shù)取0.95，滲透率跳躍系數(shù)為9，水動力粘度為1.01×10-3Pa·s，煤巖體的彈性模量、泊松比、抗壓強度、抗拉強度和均質(zhì)度等力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖體的物理力學(xué)參數(shù)

綜合考慮到真實條件下的巖層力學(xué)強度和水泵加壓能力，在水力壓裂模擬過程中，最大注水壓力設(shè)置在20～26MPa之間。在低水壓條件下，煤巖不發(fā)生破裂，為減少計算工作量，將初始注水壓力設(shè)為大于5MPa。由于覆巖層中砂質(zhì)泥巖和中粒砂巖的力學(xué)強度低于細粒砂巖，在壓裂點1和壓裂點3位置的初始注水壓力設(shè)為8MPa，增壓速率0.4MPa/min，注水時間分別為30min(0～30min)和29min(52～80min)；而在壓裂點2位置的初始水壓設(shè)為15MPa，增壓速率0.5MPa/min，注水時間21min(31～51min)。將以上參數(shù)和數(shù)學(xué)模型嵌入有限元軟件，模擬水力壓裂切頂卸壓以及工作面回采全過程。

2.2 動壓巷道水力壓裂切頂卸壓模擬結(jié)果分析

2.2.1 水力壓裂過程中參數(shù)演化規(guī)律

煤巖層是一種非均質(zhì)地質(zhì)體，其彈性模量通常服從Weibull概率分布。動壓巷道煤柱側(cè)頂板水力壓裂通過鉆孔中預(yù)制橫向切槽鉆頭形成約為鉆孔直徑兩倍以上的切槽，即鉆孔壓裂點。在壓裂點1位置進行水力壓裂過程中，煤巖層的彈性模量分布如圖4所示。在注水20min內(nèi)，水壓較低，覆巖層中裂隙基本不發(fā)育。可以看出，壓裂點1在注水21min時，鉆孔周圍開始萌發(fā)裂隙，說明該巖層的起裂壓力約為16.4MPa。隨著注水時間增加，水力裂隙快速發(fā)育并沿著最大主應(yīng)力方向擴展。在壓裂第21分鐘、24分鐘、27分鐘和30分鐘時，裂隙擴展長度分別為1.2m、2.5m、4.1m和7.3m。

圖4 鉆孔壓裂點1處水力壓裂時煤巖層彈性模量分布

在壓裂點2和壓裂點3位置進行水力壓裂，煤巖層彈性模量如圖5所示。與壓裂點1情況基本一致，水壓較小時，壓裂點2和3位置裂隙不發(fā)育，當(dāng)水壓達到起裂壓力(22.5MPa和15.2MPa)時，裂隙迅速發(fā)育并擴展，直到壓裂操作結(jié)束時停止擴展，此時注水壓力達到最大，分別為25.5MPa和19.6MPa。需要指出，在壓裂點3位置進行水力壓裂過程中，在靠近壓裂孔的巷道頂板與兩幫相交處彈性模量降低，說明該處煤巖發(fā)生了破壞，這主要與水力壓裂應(yīng)力傳遞有關(guān)。

圖5 鉆孔壓裂點2和3處水力壓裂時煤巖層內(nèi)彈性模量分布

高壓水作用于壓裂孔周圍煤體，使其產(chǎn)生拉伸破壞，不同壓裂時間的煤巖層內(nèi)損傷場具有不同分布規(guī)律，如圖6所示。煤層所受垂直應(yīng)力較大，最大主應(yīng)力方向與垂直主應(yīng)力方向的夾角較小，處于鉆孔壓裂點(切槽)周圍的巖體首先在最大主應(yīng)力方向發(fā)生拉伸破裂。同時，破裂巖體的滲透率迅速升高，高壓水迅速滲流入破裂巖體中，在有效應(yīng)力作用下，高壓水到達位置的前端完整巖體發(fā)生損傷破壞。隨著壓裂時間的增加，壓裂損傷范圍逐漸擴大。水力壓裂產(chǎn)生的裂隙沿最大主應(yīng)力方向擴展的速度較大，壓裂損傷范圍呈水平長條狀分布。在圖6中，高壓水到達位置巖體產(chǎn)生破壞以拉伸破壞為主，而在靠近壓裂孔的巷道頂板與兩幫相交處煤巖破壞同時具有拉伸破壞和剪切破壞的特征。

圖6 水力壓裂過程中煤巖層內(nèi)損傷場分布

不同壓裂時刻煤巖層內(nèi)垂直應(yīng)力的分布情況如圖7所示。由圖7可以發(fā)現(xiàn)，壓裂破壞的巖體內(nèi)垂直應(yīng)力快速降低，其承受的應(yīng)力轉(zhuǎn)移至周圍巖體內(nèi)，引起圍巖應(yīng)力升高。底板巖層為強度較低的泥巖，巷道底板和壓裂損傷區(qū)的巖層處于拉伸應(yīng)力狀態(tài)，而其他區(qū)域以壓應(yīng)力分布為主，特別是右側(cè)巷道頂板與頂板相交處出現(xiàn)了較高的壓應(yīng)力，這也證實了圖6(d)中該處附近煤巖發(fā)生了剪切破壞。

圖7 水力壓裂過程中煤巖層內(nèi)垂直應(yīng)力分布

2.2.2 采動影響巷道采空側(cè)頂板破斷與卸壓規(guī)律

在水力壓裂的基礎(chǔ)上，對Ⅲ4321工作面回采過程進行數(shù)值模擬，研究動壓巷道采空側(cè)頂板破斷和卸壓規(guī)律。數(shù)值模擬時，開挖掉物理模型中回采工作面區(qū)域的煤體，得到工作面回采后煤巖層內(nèi)彈性模量分布，如圖8所示。巖層破斷面沿著水力壓裂損傷區(qū)發(fā)育，受強烈礦壓影響，回采工作面的覆巖層發(fā)生破斷，彎曲下層，并在遠離巷道煤壁位置充填采空區(qū)。頂板中細粒砂巖為堅硬巖層，破斷后的細粒砂巖層形成了砌體梁[20]，砌體梁一端搭接在巷道煤壁上方，另一側(cè)作用在已垮落的中粒砂巖上方，其結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。

圖8 工作面回采后煤巖層內(nèi)彈性模量分布

Ⅲ4321工作面回采后，覆巖層內(nèi)損傷區(qū)沿著水力壓裂的裂縫擴展并貫通，覆巖層發(fā)生損傷破斷，如圖9所示。與壓裂過程中損傷分布一致，位于壓裂破壞區(qū)的巖層表現(xiàn)為拉伸損傷。工作面回采后，頂板巖層垮落、彎曲下沉，在采空區(qū)上方的破裂巖層以拉伸損傷為主，而在破斷巖層的旋轉(zhuǎn)軸位置，即連接壓裂破壞區(qū)之間的巖層，表現(xiàn)為剪切破壞。頂板壓力通過煤柱傳遞到煤柱下方底板泥巖，使底板泥巖發(fā)生破壞，出現(xiàn)了明顯的剪切損傷帶。在保留巷道的兩幫以剪切損傷為主，而巷道頂?shù)装灞憩F(xiàn)為拉伸損傷。巷道兩幫破壞深度在3～5m范圍內(nèi)，巷道頂板破壞深度在0.5m左右。

圖9 工作面回采后煤巖層內(nèi)損傷區(qū)分布

圖10 工作面回采后煤巖層內(nèi)垂直應(yīng)力分布

Ⅲ4321工作面回采后，煤巖層內(nèi)垂直應(yīng)力分布發(fā)生了明顯變化，如圖10所示?？迓涞母矌r層區(qū)域，應(yīng)力明顯降低，在巷道頂板上方較遠處有一定的應(yīng)力集中。巷道兩幫由于損傷破壞，應(yīng)力降低，該部分應(yīng)力轉(zhuǎn)移到了兩幫更深處。相比未進行水力壓裂措施工作面回采而言，壓裂后覆巖層中壓裂損傷區(qū)之間的巖橋受應(yīng)力作用更易發(fā)生破斷，原本作用于煤柱的高應(yīng)力區(qū)，將轉(zhuǎn)移到煤柱以外的遠處位置。綜合分析圖9和圖10，水力壓裂切頂具有較好的卸壓效果，改善工作面回采過程和回采后煤柱左側(cè)巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境，有利于巷道圍巖變形控制。

3 水力壓裂切頂卸壓工程應(yīng)用

3.1 試驗機具與設(shè)備

水力壓裂設(shè)備的關(guān)鍵裝置包括切槽鉆頭、跨式膨脹型封隔器和高壓水泵。采用KZ54型切槽鉆頭，在巖層中預(yù)制橫向切槽，KZ54型切槽鉆頭外徑為54mm，鉆孔直徑為56mm。具體指標如下：水力壓裂鉆孔直徑56mm，切槽半徑約為鉆孔半徑的2倍；能夠在單軸抗壓強度為50～150MPa的堅硬巖石中形成橫向切槽；切槽尖端能夠形成有效拉應(yīng)力集中，集中程度用集中系數(shù)或應(yīng)力強度因子來衡量。

跨式膨脹型封隔器能夠保持較高的壓力，并且能夠選擇鉆孔目的段進行封孔，實現(xiàn)在同一鉆孔中進行分段逐次壓裂，達到弱化頂板巖層的目的?？缡脚蛎浶头飧羝髦饕墒軆?nèi)壓可膨脹的彈性膜、位于兩端的鋼套、中通鋼管以及彈性膜膨脹介質(zhì)通道組成。根據(jù)井下試驗條件及試驗要求，采用膨脹介質(zhì)為水、由纖維加強的橡膠材料為彈性膜的跨式膨脹型封隔器進行壓裂段封孔，如圖11所示。

圖11 跨式膨脹型封隔器封孔

水力壓裂使用3ZSB80/62-90型高壓水泵，高壓水泵的主要部件包括三柱塞泵、安全閥、調(diào)壓閥、壓力表、電機、固定式底盤、隨機工具等。

3.2 現(xiàn)場施工

在Ⅲ43211巷和Ⅲ43212巷部分聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)向Ⅲ4321工作面施工采空區(qū)定向高位鉆孔。對于選取的試驗區(qū)域，水力壓裂施工會對聯(lián)絡(luò)巷打設(shè)的高位鉆孔以及后期打設(shè)的中位鉆孔造成影響。因此，為避免水力壓裂對高位與中位鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯造成影響，在未施工高位鉆孔與中位鉆孔之前，進行水力壓裂的打鉆與壓裂工作。

3.2.1 壓裂鉆孔打設(shè)及開槽

施工步驟：①鉆孔鉆進使用煤礦用全液壓坑道鉆機，鉆頭直徑為56mm；②開槽處選擇頂板完整段。預(yù)計開槽鉆頭快到鉆孔尾部時，伸進速度放緩，當(dāng)開槽鉆頭到達鉆孔底部時進行開槽；③開槽過程中通過觀察鉆孔流出的水來判斷開槽進程，完成開槽后撤出開槽鉆頭，換普通鉆頭繼續(xù)鉆進，鉆進至下一開槽位置再進行開槽工序，如此循環(huán)，直至鉆孔打設(shè)結(jié)束；④整個鉆孔打設(shè)與開槽工作全部完畢后要用靜壓水沖洗；⑤在鉆進過程中盡量降低鉆進速度，減小鉆機進給力，鉆孔完成后要近似為一條直線，有利于封孔器的推入。

3.2.2 鉆孔注水壓裂

水力壓裂過程需要封孔和高壓水力壓裂兩套水路管線，從高壓泵流出的高壓水通過10mm直徑的高壓水管，進入儲能器，然后通過三通閥，將高壓水分流，其中一部分通過止壓閥進入封孔器，另一部分高壓水進入靜壓水管，用于壓裂巖層。

施工步驟：①連接之前，確認管路是否暢通；②連接安裝封孔器后，接靜壓水對封孔器進行排氣、試壓，查看封孔器是否漏水，保證運作正常；③通過樹脂膠管(?10mm)將連接好的手動泵和儲能器與封孔器連接，連接處“O”型密封圈密封，連接采用快速連接方式；④“三通”必須連接截止閥；⑤開始打壓手動泵之前，同時打開“三通”上的兩個截止閥，讓靜壓水進入儲能器；⑥打壓手動泵至10MPa，觀察鉆孔并監(jiān)測壓力表，檢驗封孔器能否保壓，確保封孔器正常工作；⑦連接注水鋼管將封孔器推送至預(yù)定位置，封孔、注水壓裂采用倒退式壓裂法，即從鉆孔底部開槽處向外依次進行壓裂；⑧給高壓水泵先通水再通電，然后慢慢加壓，同時記錄水泵壓力表以及手動泵壓力表數(shù)據(jù)，繼續(xù)加壓直至預(yù)裂縫開裂，保壓注水使裂紋繼續(xù)擴展，壓裂時間一般不少于20min，若巷道煤幫或鉆孔中有水滲出或冒出，立即停止壓裂，壓裂結(jié)束；⑨壓裂結(jié)束后，高壓水泵先斷電再停水，待高壓泵回水閥出水完畢后，拆掉注水鋼管上的直通，將殘存在封孔器之間的水流出；⑩儲能器上的“三通”截止閥均處于關(guān)閉狀態(tài)，拆掉連接樹脂膠管的截止閥后，打開截止閥將封孔器泄壓。

3.3 應(yīng)用效果分析

采集Ⅲ4321工作面回采過程生產(chǎn)數(shù)據(jù)，分析采動巷道水力壓裂切頂卸壓效果發(fā)現(xiàn)，在采取水力壓裂切頂卸壓措施之前的位置，靠煤壁側(cè)懸頂一般達6～8m，最大時超過15m。在采區(qū)壓裂措施之后，在Ⅲ4321工作面回采到壓裂位置后，懸頂在2～3m，有效降低了煤柱承受的壓力。

動壓巷道水力壓裂切頂卸壓的圍巖變形控制效果如圖12所示。由圖12(a)可知，未采取水力壓裂措施時，在Ⅲ4321工作面的采動作用下，待保留Ⅲ43212巷的兩幫最大移近量在回采30m后達到了2081mm，此時頂?shù)装逡平繛?532mm，可見動壓影響巷道圍巖變形大，圍巖控制較困難。由圖12(b)可知，在采區(qū)水力壓裂措施后，Ⅲ43212巷的兩幫最大移近量為833mm，頂?shù)装逡平繛?62mm，分別降低了60.01%和63.32%。動壓影響巷道的圍巖變形大幅減小，證明水力壓裂切頂卸壓技術(shù)能夠控制圍巖的變形，保證巷道穩(wěn)定，同時降低后期工程維修量。

圖12 動壓巷道水力壓裂切頂卸壓的圍巖變形控制效果

4 結(jié) 論

1)以長平煤礦Ⅲ4321工作面為研究背景，構(gòu)建了地質(zhì)幾何模型，模擬了Ⅲ43211巷內(nèi)實施水力壓裂切頂卸壓技術(shù)全過程，分析了水力壓裂和工作面回采中煤巖層的彈性模量、損傷場和應(yīng)力場分布規(guī)律，明確了水力壓裂切頂卸壓的效果，為工程實踐提供依據(jù)。

2)開展了動壓巷道水力壓裂切頂卸壓現(xiàn)場應(yīng)用，實踐表明：在采取水力壓裂措施后，待保留Ⅲ43212巷的兩幫最大移近量和頂?shù)装逡平糠謩e減小了60.01%、63.32%，動壓巷道圍巖變形得到了有效控制。