綜采工作面水力壓裂試驗研究與應(yīng)用

蘇 岳，趙文軍，王利民

(1.山西陽煤集團 新景礦煤業(yè)公司， 山西 陽泉 043300； 2.河南理工大學(xué)， 河南 焦作 454000)

水力壓裂技術(shù)是指在鉆孔壓裂段預(yù)制裂縫，控制水力壓裂裂紋擴展方向的技術(shù)，對堅硬頂板的控制有著明顯的效果，主要表現(xiàn)在壓裂和軟化兩個方面，以削弱頂板的強度和整體性，使采空區(qū)頂板能夠分層分次垮落，縮短初次來壓和周期來壓步距，達到減小或消除堅硬難垮頂板對工作面回采危害的目的[1].

陽煤集團新景煤礦3107工作面輔助進風(fēng)巷為了降低沿空留巷巷道圍巖高應(yīng)力，提高沿空留巷巷道安全穩(wěn)定性，采用了水力壓裂切頂卸壓技術(shù)。

1 工作面基本情況

新景礦3107工作面位于保安分區(qū)，該工作面進回風(fēng)巷主要服務(wù)于3107工作面。3107工作面東為3105工作面(已采)，南為保安區(qū)7208、7210工作面(已采)，西為3109工作面(未掘)，北隔采區(qū)大巷3108工作面(未掘)。工作面地面標高1 020～1 215 m，井下標高555～596 m，巷道平均埋深542 m. 3017輔助進風(fēng)巷沿3#煤層頂板掘進，巷道全長1 487 m，巷道斷面為矩形，凈寬5.0 m，凈高2.8 m，掘進寬度5.2 m，掘進高度2.9 m.

2 煤層基本參數(shù)測定

2.1 3#煤層應(yīng)力測定

在工作面布置測點，測點深度595.3 m，對3#煤層地應(yīng)力、煤巖體強度和圍巖結(jié)構(gòu)等地質(zhì)參數(shù)進行測定。測試數(shù)據(jù)顯示，測點所處位置最大水平主應(yīng)力11.45 MPa，最小水平主應(yīng)力6.35 MPa，垂直主應(yīng)力14.88 MPa.測點處垂直應(yīng)力>最大水平主應(yīng)力>最小水平主應(yīng)力，原巖應(yīng)力場為中等應(yīng)力值場，垂直應(yīng)力占優(yōu)勢，最大水平主應(yīng)力方向為北偏東51.7°.

2.2 圍巖強度測試及分析

采用WQCZ-56型圍巖強度測試裝置對巷道頂板以上及巷幫10 m范圍內(nèi)的煤巖體進行原位強度測試[2]. 對測試數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)計、換算后，得到該礦頂板和巷幫煤巖體強度分布情況，見圖1，圖2.

圖1 測點處頂板巖體強度及巖性測試結(jié)果圖

圖2 測點巷幫頂板強度測試曲線圖

由圖1可知，3#煤層頂板10 m范圍內(nèi)與錨桿支護直接相關(guān)的煤巖體巖性主要以砂質(zhì)泥巖和中粒砂巖為主，頂板以上0～4.1 m為砂質(zhì)泥巖，巖層強度平均值為51.34 MPa；4.1～4.8 m為中粒砂巖，巖層強度平均值為92.39 MPa；4.8～6.7 m為砂質(zhì)泥巖，巖層強度平均值為59.06 MPa；6.7～9.8 m為中粒砂巖，巖層強度平均值為84.07 MPa. 由圖2可知，3#煤體強度值絕大多數(shù)集中在8～14 MPa，經(jīng)計算，其強度平均值為11.49 MPa，煤體中硬，完整性相對較好。

3 水力壓裂參數(shù)確定

3.1 壓裂參數(shù)初始設(shè)計

該礦3107輔助進風(fēng)巷計劃水力壓裂段長度為300 m，采用單側(cè)孔施工?；臼┕ろ樞颍翰捎酶Q視儀觀察頂板巖層結(jié)構(gòu)→確定壓裂參數(shù)→壓裂鉆孔施工→實施壓裂→壓裂監(jiān)測。為不影響工作面正常生產(chǎn)，鉆孔位置距離工作面應(yīng)大于100 m. 鉆孔參數(shù)根據(jù)頂板巖層厚度、巖性、礦壓顯現(xiàn)特點與范圍確定。壓裂鉆孔采用雙側(cè)布置，工作面?zhèn)茹@孔在巷幫開孔，簡稱S孔，采用地質(zhì)鉆機打孔，鉆孔d56 mm，位置距頂板1 m，鉆孔水平投影與巷道軸線方向成16°夾角，仰角為50°，孔間距為10 m，鉆孔長度為50 m，為了保證壓裂過程中巷道頂板安全，鉆孔壓裂深度為11.7～50 m，每3 m壓裂一次，每孔壓裂12～13次，每次不少于30 min.鉆孔在工作面試驗長度見圖3.

圖3 3107輔助進風(fēng)巷水力壓裂區(qū)域圖

3.2 壓裂參數(shù)

煤巖體在水力壓裂過程中，高壓水作用于煤體使其產(chǎn)生破裂形成裂縫，用于計算煤巖體的破裂準則較多，適用于水力壓裂的主要有拉伸破壞準則和剪切破壞準則。目前，拉伸破裂準則在裂縫起裂準則中獲得廣泛應(yīng)用，該準則認為裂縫起裂壓力和起裂角取決于主應(yīng)力分布狀態(tài)[3-4].水力壓裂破裂前的孔周應(yīng)力主要包括原巖地應(yīng)力場、孔內(nèi)流體壓力和鉆孔的集中應(yīng)力。

根據(jù)3#煤層頂板10 m范圍內(nèi)與錨桿支護直接相關(guān)的煤巖體巖性主要以砂質(zhì)泥巖和中粒砂巖為主，頂板以上0～4.1 m為砂質(zhì)泥巖，巖層強度平均值為51.34 MPa，3#煤體強度值絕大多數(shù)集中在8～14 MPa，經(jīng)測試計算可知，3#煤體強度平均值為11.49 MPa，考慮裂紋擴展過程中的濾失、變向、多裂縫擴展以及一定的富裕系數(shù)，確定高壓注水泵的壓力為62 MPa，流量為80 L/min.

4 現(xiàn)場試驗研究

4.1 鉆孔施工和壓裂情況

根據(jù)新景礦采掘銜接安排，3107輔助進風(fēng)巷水力壓裂卸壓工程首先施工S1號鉆孔，共施工及壓裂鉆孔24個。3107工作面回采時間超前于鉆孔施工，隨著工作面推進逐漸進入壓裂區(qū)域，到工作面采過壓裂區(qū)域，對回采期間的礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)進行收集及分析。

在水力壓裂施工過程中，全程對鉆孔壓裂位置及壓力、出水情況進行監(jiān)測，S7單排孔施工和壓裂記錄見表1. 由表1可以看出，不同鉆孔壓裂壓力有較明顯的差距，同一鉆孔不同壓裂位置壓裂壓力也不相同。

表1 S7鉆孔水力壓裂記錄表

通過施工可知，該礦鉆孔深部壓裂壓力大于淺部孔壓裂壓力，鉆孔深部壓力基本集中在18～20 MPa，鉆孔淺部壓力基本集中在14～16 MPa. 在鉆孔角度不變的情況下，壓裂壓力主要跟巖體抗拉強度和地應(yīng)力大小有關(guān)，壓裂壓力均低于注水泵的最大壓力62 MPa，鉆孔不同深度下均實現(xiàn)了巖體的張開破壞，降低了巷道頂板50 m范圍內(nèi)巖體的完整性，壓裂效果良好。通過施工記錄和水壓儀壓力監(jiān)測曲線可知，每次壓裂壓力較為穩(wěn)定，說明裂隙已張開，且持續(xù)加壓，可以保證裂隙擴展到兩孔之間，現(xiàn)場已將頂板壓裂及注水軟化，在壓裂的過程中，臨孔出水或者頂板淋水，錨桿、索出水，則停止壓裂，證明深部巖體已經(jīng)形成裂隙，起到了弱化頂板的作用。

4.2 礦壓監(jiān)測與分析

為驗證水力壓裂切頂卸壓方案實施效果，在3107工作面輔助進風(fēng)巷水力壓裂地段和非水力壓裂地段布置巷道礦壓綜合監(jiān)測站，監(jiān)測內(nèi)容包括：巷道變形、錨桿錨索受力等，測站布置見圖4.

4.2.1錨索受力監(jiān)測與分析

在壓裂段共監(jiān)測兩組錨索受力測站，分別位于圖4中2#測站(推進度550 m處)和5#測站(推進度600 m處)，非壓裂段監(jiān)測一組錨桿錨索受力測站,位于7#測站(推進度700 m處)，以分析水力壓裂區(qū)域和非壓裂區(qū)域的錨桿錨索受力變化。2#測站(壓裂段)錨桿錨索受力監(jiān)測見圖5，5#測站(壓裂段)錨桿錨索受力分析見圖6. 7#測站(非壓裂段)錨桿錨索受力分析見圖7.

圖4 錨索錨桿測站與位移測站布置圖

圖5 2#測點錨索錨桿受力變化圖

圖6 5#測點錨索錨桿受力變化圖

圖7 7#測點錨索錨桿受力變化圖

由圖5可知，2#測站位于水力壓裂段，初始受力頂錨索受力80 kN，頂錨桿受力100 kN，幫錨桿受力75 kN，隨著工作面回采推進，頂錨索和頂錨桿受力均處于持續(xù)增加態(tài)勢，在距回采工作面80 m左右時開始持續(xù)增加，最終受力為頂錨索104 kN，頂錨索受力增加24 kN，頂錨桿最終受力122 kN，受力增加22 kN，幫錨桿最終受力100 kN，受力增加25 kN.

由圖6可知，5#測站位于水力壓裂段，初始受力頂錨索受力120 kN，頂錨桿受力100 kN，幫錨桿受力100 kN，隨著工作面回采推進，頂錨索和頂錨桿受力均處于持續(xù)增加態(tài)勢，在距回采工作面100 m左右時開始持續(xù)增加，最終受力為頂錨索140 kN，頂錨索受力增加20 kN，頂錨桿最終受力125 kN，受力增加25 kN，幫錨桿最終受力117 kN，受力增加17 kN.

由圖7可知，7#測站位于非水力壓裂卸壓段，初始頂錨索受力145 kN，頂錨桿受力95 kN，幫錨桿受力83 kN，隨著工作面回采推進，頂錨索和頂錨桿受力均處于持續(xù)增加態(tài)勢。

對比分析3107輔助進風(fēng)巷水力壓裂段和非水力壓裂段錨桿錨索受力情況可見，水力壓裂卸壓對巷道錨桿錨索受力影響并不明顯，這主要是因為錨桿錨索主要在巷道淺部10 m圍巖中布置，而水力壓裂對巷道淺部圍巖不進行預(yù)裂，僅對巷道頂板深部圍巖進行預(yù)裂與軟化，沒有破壞巷道淺部煤巖體完整性，對巷道錨桿錨索支護體受力影響較小，壓裂和非壓裂段支護體受力差異不大。

4.2.2巷道表面位移變化與分析

在壓裂段共布置8組表面位移測站，分別布置于圖4中1#—8#測站處，其中壓裂區(qū)域布置5組，非壓裂區(qū)域布置3組，以分析對比水力壓裂區(qū)域和非壓裂區(qū)域巷道位移量的變化情況，見圖8，9.

圖8 水力壓裂區(qū)域巷道表面位移觀測曲線圖

統(tǒng)計分析圖8中不同測點水力壓裂區(qū)域巷道變形數(shù)據(jù)，主要觀測數(shù)據(jù)如下：1#測站兩幫移近量為190 mm，頂?shù)滓平繛?53 mm；2#兩幫移近量70 mm，頂?shù)滓平?80 mm；3#兩幫移近量160 mm，頂?shù)滓平?70 mm；4#兩幫移近量120 mm，頂?shù)滓平?92 mm；5#兩幫移近量115 mm，頂?shù)滓平?21 mm. 計算得出水力壓裂區(qū)域5個測點兩幫平均移近量為131 mm，頂?shù)灼骄平繛?23.2 mm.

統(tǒng)計分析圖9中不同測點非水力壓裂區(qū)域巷道變形數(shù)據(jù)，主要觀測數(shù)據(jù)如下：6#測站兩幫移近量為213 mm，頂?shù)滓平繛? 246 mm；7#兩幫移近量190 mm，頂?shù)滓平? 325 mm；8#兩幫移近量189 mm，頂?shù)滓平? 483 mm.

圖9 非水力壓裂區(qū)域巷道表面位移觀測曲線圖

對比分析3107輔助進風(fēng)巷水力壓裂段和非水力壓裂段巷道變形破壞情況可知，水力壓裂卸壓對巷道變形影響較為明顯，水力壓裂區(qū)域兩幫平均變形量131 mm，非壓裂區(qū)域兩幫平均變形197 mm，水力壓裂區(qū)域頂?shù)装迤骄冃瘟?23 mm，非壓裂區(qū)域兩幫平均變形1 351 mm，其中主要以底鼓變形為主，說明巷道卸壓效果較理想，水力壓裂卸壓后巷道底鼓變形量和變形速度均明顯降低。

4.3 3107輔助進風(fēng)巷留巷段變形情況

水力壓裂工程施工后，使頂板懸臂結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的高應(yīng)力得到削弱，留巷段巷道變形得到改善，減少了留巷巷道后期整巷工程量，保證了巷道的安全。對水力壓裂留巷段巷道變形情況進行了現(xiàn)場觀測，觀測數(shù)據(jù)見表2.

由表2可知，水力壓裂區(qū)域420～460 m巷道變形較大，行人已無法通過，460～640 m，巷道高度逐步變高，行人可彎腰行走通過，非壓裂區(qū)域670～777 m巷道變形相較于壓裂區(qū)域變化大，大部分區(qū)域需半蹲行走。由此得知，水力壓裂切頂卸壓起到了一定的效果，改善了巷道變形情況，但水力壓裂初期，由于巷道頂板壓力釋放不完全，變形較大，之后逐步達到預(yù)期效果。

表2 不同地段沿空留巷段巷道高度表

5 結(jié) 語

1) 新景礦鉆孔深部壓裂壓力大于淺部壓裂壓力，鉆孔深部壓力基本集中在18～20 MPa，鉆孔淺部壓力基本集中在14～16 MPa.

2) 由3107輔助進風(fēng)巷水力壓裂段和非水力壓裂段巷道變形破壞情況可知，水力壓裂卸壓對巷道變形影響較明顯，水力壓裂區(qū)域兩幫平均變形量131 mm，非壓裂區(qū)域兩幫平均變形197 mm，水力壓裂區(qū)域頂?shù)装迤骄冃瘟?23 mm，非壓裂區(qū)域兩幫平均變形1 351 mm，其中主要以底鼓變形為主，說明巷道卸壓效果較理想，水力壓裂卸壓后巷道底鼓變形量和變形速度均明顯降低。

3) 根據(jù)現(xiàn)場實測可知，水力壓裂區(qū)域420～460 m巷道變形較大，460～640 m巷道高度逐步變高，非壓裂區(qū)域670～777 m巷道變形相較于壓裂區(qū)域變化大，水力壓裂切頂卸壓改善了巷道變形情況。