東溝煤礦143工作面端頭懸頂水壓預(yù)裂試驗(yàn)*

劉慶林，劉文崗，2，余 杰，董 浩，吳 越，張 沛

(1.北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 應(yīng)急科學(xué)研究院，北京 100013；3.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)西部煤炭資源的大力開發(fā)，新疆的現(xiàn)代化礦井投資與建設(shè)已成為我國(guó)煤炭重點(diǎn)工程[1]。在高強(qiáng)度地開采過(guò)程中，由于煤層上覆基巖厚度與硬度均較大，許多礦井出現(xiàn)了下隅角頂板大面積懸頂?shù)那闆r，加之有些礦井工作面上部鄰近含積水、有害氣體的老窯巷道，易引起頂板災(zāi)害與礦井透水等系列重大安全事故。因此，開展預(yù)防頂板懸頂、瓦斯涌出、礦井透水等研究工作極其必要。

針對(duì)工作面端頭頂板大面積懸頂?shù)膯?wèn)題，我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的專家與學(xué)者們進(jìn)行了大量專項(xiàng)研究。黃炳香等[2]通過(guò)水壓預(yù)裂技術(shù)，提出了針對(duì)工作面開采過(guò)程中頂板難垮落、瓦斯頻繁涌出、巷道變形嚴(yán)重等問(wèn)題的系列控制措施。鄧廣哲等[3]以陜北淺埋煤層開采為研究背景，通過(guò)數(shù)值計(jì)算、力學(xué)分析等綜合手段，研究了頂板預(yù)裂時(shí)裂隙發(fā)育與應(yīng)力變化的規(guī)律，建立了裂隙擴(kuò)展與應(yīng)力演化的物理力學(xué)模型，提出了系列預(yù)裂堅(jiān)硬頂板的方案。王慧林等[4]為解決因堅(jiān)硬頂板大面積突然垮落而使得采空區(qū)瓦斯涌出超限的難題，采用水壓致裂技術(shù)對(duì)工作面巷道進(jìn)行長(zhǎng)距離的鉆孔壓裂試驗(yàn)，基于技術(shù)方案實(shí)施后的多次安全監(jiān)控，驗(yàn)證了該方案的可行性。陳佩東[5]針對(duì)神東某煤礦頂板堅(jiān)硬且塊度大，在該煤礦首采面放頂時(shí)，應(yīng)用了水壓預(yù)裂技術(shù)，使得堅(jiān)硬頂板及時(shí)垮落，試驗(yàn)效果理想。高李王[6]通過(guò)合理布置壓裂鉆孔位置，對(duì)有效致裂煤層頂板起到了顯著作用。使得老頂初次來(lái)壓步距與周期來(lái)壓步距大幅度縮減，同時(shí)懸頂現(xiàn)象不明顯。王俊峰[7]通過(guò)在工作面兩巷超前段位置實(shí)施水壓鉆孔致裂技術(shù)，有效地化解了煤層頂板懸頂難垮與工作面高效開采之間的矛盾。劉宏鵬[8]應(yīng)用水壓預(yù)裂技術(shù)，針對(duì)煤層群聯(lián)合開采條件下，下層煤上部采空區(qū)留設(shè)的區(qū)段煤柱進(jìn)行水壓預(yù)裂鉆孔布置，避免了下層煤回采過(guò)程中區(qū)段煤柱的應(yīng)力二次疊加現(xiàn)象，從而可為工作面安全、高效地回采作保障。吳劍楊[9]使用水壓致裂的技術(shù)，通過(guò)在工作面巷道實(shí)施壓裂鉆孔布置，對(duì)煤層的堅(jiān)硬頂板進(jìn)行有效壓裂，使得工作面頂板能在有序推進(jìn)過(guò)程中垮落，回風(fēng)巷道的頂板懸頂問(wèn)題得到很好解決，揭示了克服瓦斯涌出異常的壓裂機(jī)理。于斌等[10]通過(guò)對(duì)工作面開采過(guò)程中礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律以及相關(guān)參數(shù)的監(jiān)測(cè)與計(jì)算，提出了水壓致裂頂板的方案，實(shí)現(xiàn)了理想的試驗(yàn)效果。馮彥軍等[11]基于對(duì)水壓預(yù)裂鉆孔周圍壓力變化的探測(cè)，發(fā)現(xiàn)了煤層頂板懸頂鉆孔預(yù)裂的特點(diǎn)，提出了水壓致裂可定向預(yù)制切口，能降低頂板裂隙擴(kuò)展的水壓值。上述研究雖從水壓預(yù)裂技術(shù)的不同角度提出了各種治理懸頂措施，但均未分步模擬鉆孔圍巖注壓起裂的全過(guò)程以及壓裂期間最大主應(yīng)力的分布變化規(guī)律，從而結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)布置方案的壓裂試驗(yàn)?zāi)苊鞔_量化壓裂孔的實(shí)際影響圓半徑。

為此，針對(duì)東溝煤礦B4-2煤層143綜采面頂板堅(jiān)硬、礦井水文地質(zhì)條件復(fù)雜等問(wèn)題，采用RFPA2D-Flow軟件來(lái)建立143工作面端頭懸頂鉆孔壓裂數(shù)值模型，本構(gòu)關(guān)系依據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，以期得出水壓預(yù)裂的影響半徑。通過(guò)對(duì)143工作面兩巷的鉆孔試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，以期為類似礦井的安全、高效開采提供現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

1 工程概況

該礦主要開采B4-2煤層，其賦存結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，硬度系數(shù)大。煤層平均厚度3.1 m。偽頂厚度0.6 m，主要巖性為炭質(zhì)泥巖；直接頂平均厚度4.7 m，主要巖性為粉砂巖；老頂平均厚度7.5 m，主要巖性為粗砂巖；煤層底板平均厚度3.4 m，巖性為粉砂巖與泥巖互層；其下為B3煤層，平均厚度2.7 m。

143工作面位于井田的西部，其北部相鄰145工作面，南部緊鄰141已采工作面，礦井軌道上山與帶式輸送機(jī)運(yùn)輸上山位于143采面東部。工作面地表為山地，山體表面多為第四系堆積物，工作面與地表高差140 m以上，地面無(wú)積水區(qū)、無(wú)河流、無(wú)建筑物，煤系地層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤系地層力學(xué)參數(shù)

2 143工作面端頭懸頂水壓預(yù)裂試驗(yàn)

2.1 水壓預(yù)裂鉆孔布置方案設(shè)計(jì)

運(yùn)輸順槽跨煤柱垂直順槽鉆孔布置：根據(jù)水壓預(yù)裂理論、最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則及143工作面頂板巖層結(jié)構(gòu)、巖層厚度、巖性、采高、煤柱寬度(25 m)及三帶垮落高度等，得出鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)。①在145回風(fēng)巷道向143運(yùn)輸巷道頂板上方施工跨煤柱壓裂鉆孔，壓裂鉆孔A(A1～A10，共10個(gè))，水壓預(yù)裂鉆孔傾向布置如圖1所示；②鉆孔A1、A2、A3位于架后，鉆孔A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10位于超前段，如圖2所示；③鉆孔A開口位置距離底板2.2 m處；④鉆孔進(jìn)尺總計(jì)36.34 m×10=363.4 m，鉆孔長(zhǎng)度36.34 m，傾角為38°，A孔具體參數(shù)如圖3所示；⑤鉆孔采用56 mm鉆頭，鉆桿采用42 mm鉆桿。

圖1 水壓預(yù)裂鉆孔傾向布置

圖2 水壓預(yù)裂鉆孔走向布置

圖3 A孔參數(shù)示意

回風(fēng)順槽平行順槽鉆孔布置：根據(jù)水壓預(yù)裂理論、最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則及143工作面頂板巖層結(jié)構(gòu)、巖層厚度、巖性及采高等，提出鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)。①沿143回風(fēng)巷道向143回風(fēng)上隅角施工壓裂鉆孔H，鉆孔H開孔位置在143回風(fēng)順槽超前支架第1個(gè)超前小支架前沿，距離工作面煤壁21 m處；②鉆孔H進(jìn)尺為29.53 m×1=29.53 m，鉆孔長(zhǎng)度29.53 m，傾角28.11°，具體如圖4所示；③鉆孔采用56 mm鉆頭，鉆桿采用42 mm鉆桿。

圖4 H孔參數(shù)示意

2.2 143工作面端頭懸頂水壓預(yù)裂方案技術(shù)參數(shù)

壓裂壓力：根據(jù)水壓預(yù)裂理論計(jì)算以及水壓預(yù)裂技術(shù)在其他礦區(qū)的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，本次水壓預(yù)裂壓力約為11.5～35 MPa。

壓裂段數(shù)：壓裂段數(shù)根據(jù)壓裂擴(kuò)展半徑、端頭壓裂目標(biāo)及巖層厚度確定，從鉆孔底部逐步向孔口壓裂，壓裂間隔4.5 m，壓裂段數(shù)兩次。

壓裂時(shí)間：工作面后方鉆孔及超前高位鉆孔單次壓裂時(shí)間約為25～30 min，超前段低位鉆孔壓裂時(shí)間控制為10～15 min。

壓裂鉆孔封孔：為防止采空區(qū)漏風(fēng)、有毒有害氣體外泄。壓裂結(jié)束后，要及時(shí)對(duì)壓裂鉆孔進(jìn)行封孔，采用“兩堵一注”帶壓封孔法，即先在鉆孔的兩端用袋裝聚氨酯進(jìn)行封堵，待發(fā)泡封孔袋、膨脹并凝結(jié)后，再通過(guò)注漿管對(duì)兩端聚氨酯封堵段之間的鉆孔段進(jìn)行注漿，在注漿壓力的作用下，漿液向鉆孔壁滲透并填充鉆孔周圍裂縫。施工前提前注備好封孔材料運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，包括封孔泵、注漿管、水泥、聚氨酯等。封孔長(zhǎng)度不得小于8 m(兩頭聚氨酯封孔各2 m，中部水泥漿4 m)。

封孔步驟：安裝注漿管→聚氨酯封孔→注水泥漿→關(guān)閉注漿管閥門→封孔結(jié)束。

3 水壓預(yù)裂數(shù)值模擬

3.1 模型設(shè)計(jì)

建立模型：針對(duì)該礦143工作面的實(shí)際情況，來(lái)建立端頭懸頂鉆孔水壓預(yù)裂數(shù)值模型。模型采用二維平面應(yīng)力模型，模擬走向長(zhǎng)度40 m，高度18 m，模型從下至上依次為B4-2煤層、直接頂、老頂，中心壓裂孔位于老頂中心，設(shè)直徑113 mm。模型如圖5所示，共劃分72 000個(gè)單元。

圖5 水壓預(yù)裂模型

模型參數(shù)：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果可知，B4-2煤層上覆巖層垂直應(yīng)力20 MPa左右，其測(cè)壓系數(shù)約1.4。故可在模型頂面加載約20 MPa的載荷來(lái)模擬煤層老頂?shù)纳细矌r重，由于測(cè)壓系數(shù)為1.4，可設(shè)定模型的水平應(yīng)力為28 MPa。邊界條件設(shè)定為：兩端水平約束，可垂直移動(dòng)；底端固定約束，位移為零。本模擬采用均質(zhì)度系數(shù)a表示煤層與巖樣材料的均質(zhì)度，并通過(guò)材料實(shí)際強(qiáng)度與a的相關(guān)度，對(duì)本次模型輸入相應(yīng)力學(xué)參數(shù)。本次模型所測(cè)得力學(xué)相關(guān)參數(shù)見表2。材料性質(zhì)按Weibull分布來(lái)賦值，本構(gòu)關(guān)系依據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。壓裂鉆孔采用圓形孔洞表示，布置在本次模型的中心位置，設(shè)定第1步即可開挖結(jié)束；注水壓力加載的初始值取10 MPa，單步增量值為0.2 MPa，分步加載至老頂破裂為止。

表2 頂板力學(xué)及滲流參數(shù)表

3.2 壓裂孔圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

模擬結(jié)果：如圖6所示，分別為Step-10、Step-40、Step-70、Step-100、Step-130及Step-160的剪應(yīng)力分布云圖，各單元的亮度來(lái)表示其所受應(yīng)力值大小，即灰度越深表示其所受應(yīng)力值越小；越明亮則表示其所受應(yīng)力值越大。

圖6 不同時(shí)期水壓預(yù)裂應(yīng)力云圖

結(jié)果分析：①由Step-10可知，壓裂開始時(shí)，壓裂孔附近圍巖應(yīng)力均衡分布，未出現(xiàn)應(yīng)力集中；由于壓裂孔開挖，致使孔周圍出現(xiàn)塑性破壞區(qū)和彈性變化區(qū)，故圍巖應(yīng)力開始降低，逐漸形成弱面。②由Step-40可知，由于水壓值的增加，水流會(huì)滲入鉆孔內(nèi)壁的弱面中，使得鉆孔圍巖應(yīng)力迅速集中，其兩側(cè)顯現(xiàn)一條亮斜帶；此時(shí)鉆孔圍巖發(fā)生破壞，但未出現(xiàn)明顯的裂縫。③由Step-70可知，此時(shí)水壓已經(jīng)達(dá)到24 MPa，孔壁周圍弱面開始起裂，產(chǎn)生了一些微裂隙，形成了一個(gè)“十字”交叉型裂隙。壓增區(qū)會(huì)擴(kuò)展至平衡區(qū)內(nèi)，致使鉆孔周圍的壓降區(qū)范圍擴(kuò)大。與此同時(shí)，由于主裂隙的擴(kuò)展，引起二次裂隙逐漸發(fā)育，基于材料的均質(zhì)度較大，故二次裂隙出現(xiàn)的位置不能精準(zhǔn)預(yù)判。隨著裂隙不斷擴(kuò)展，壓裂孔周圍的壓增區(qū)也開始向圍巖深部擴(kuò)大，而孔附近形成了壓降帶。④由Step-100可知，形成了明顯的水壓預(yù)裂裂隙，主要有4條水壓預(yù)裂裂隙，壓裂孔周圍的壓增區(qū)繼續(xù)擴(kuò)大，壓降帶范圍隨之增加。⑤由Step-130可知，裂隙得到有效的擴(kuò)展，壓力上升卻未破壞。此時(shí)明顯可看出，已形成的裂隙中外圍有零星的破裂點(diǎn)，但未有貫穿裂隙。⑥由Step-160可知，形成一個(gè)“十字”型裂隙，壓力為42 MPa，隨著裂隙進(jìn)一步的擴(kuò)展，壓裂孔上偏約15°方向出現(xiàn)了最長(zhǎng)裂隙，長(zhǎng)度為22 m，同時(shí)壓裂孔一側(cè)裂隙長(zhǎng)度為11 m，與其垂直方向形成了一條較短裂隙，長(zhǎng)度為14 m。

水壓預(yù)裂的影響半徑范圍：壓裂區(qū)域內(nèi)，可有效形成壓降區(qū)。從巖體的破裂范圍及破裂程度上來(lái)看，壓裂孔附近區(qū)域的巖體要優(yōu)于遠(yuǎn)離壓裂孔區(qū)域的巖層，故水壓預(yù)裂的影響半徑范圍為7～10 m。

3.3 壓裂孔最大主應(yīng)力分布規(guī)律

模擬結(jié)果：如圖7所示，為壓裂孔中心線位置的主應(yīng)力變化曲線圖。其中水平距離x與應(yīng)力值y組成二維平面坐標(biāo)，壓裂孔范圍x=15～35 m，孔中心x=25 m，如圖中灰色矩形塊所示，監(jiān)測(cè)壓裂孔x范圍的主應(yīng)力變化規(guī)律。

結(jié)果分析：由圖7可得，水壓預(yù)裂不同階段主應(yīng)力變化趨勢(shì)大體一致，具體表現(xiàn)為壓裂孔附近圍巖形成壓降區(qū)，其兩側(cè)為壓增區(qū)，平衡區(qū)則處于最外側(cè)范圍。同時(shí)，揭示出不同階段增壓區(qū)域的應(yīng)力峰值各不相同。①水壓預(yù)裂孔兩側(cè)應(yīng)力峰值大小相差不大。如水壓預(yù)裂初始階段，應(yīng)力峰值最大，最大值接近30 MPa，水壓預(yù)裂孔孔兩側(cè)應(yīng)力峰值呈逐漸減小趨勢(shì)，待壓裂完成后，兩側(cè)應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力峰值最小，約18 MPa。②水壓預(yù)裂孔壓降區(qū)范圍隨著注水壓力增加而擴(kuò)大。如：水壓預(yù)裂初始階段(即Step-10至Step-40)，壓裂孔周圍20 m范圍內(nèi)，最低應(yīng)力2.5 MPa，最高7 MPa。由于壓裂開始并未產(chǎn)生裂隙，故壓降區(qū)不明顯；水壓預(yù)裂中期(即Step-70至Step-100)，形成了較小范圍壓降區(qū)，此時(shí)壓裂鉆孔圍巖20 m范圍內(nèi)，應(yīng)力明顯降低，最高應(yīng)力4.8 MPa，最低應(yīng)力0 MPa；水壓預(yù)裂后期(即Step-130至Step-160)，壓裂孔周圍形成了較大范圍壓降區(qū)，在壓裂孔周圍20 m范圍內(nèi)，應(yīng)力全部為0 MPa，表明在此區(qū)域內(nèi)，產(chǎn)生了裂隙致使壓力驟降。

圖7 不同時(shí)期壓裂孔周圍應(yīng)力云圖

壓降區(qū)、壓增區(qū)和平衡區(qū)劃分：通過(guò)對(duì)巖層進(jìn)行水壓預(yù)裂，破壞了原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)，造成了壓裂孔附近區(qū)域圍巖的應(yīng)力峰值大幅度降低，從而形成壓降區(qū)。同時(shí)壓降區(qū)附近圍巖的應(yīng)力峰值升高，形成了壓增區(qū)。故依據(jù)壓裂后圍巖的應(yīng)力變化特點(diǎn)，將壓裂孔附近圍巖由近及遠(yuǎn)劃為壓降區(qū)、壓增區(qū)和平衡區(qū)。如圖8所示，基于模擬結(jié)果中應(yīng)力集中程度的演化規(guī)律，可得其應(yīng)力分布示意圖。即以壓裂孔為圓心，虛線圈表示本次實(shí)際影響半徑，半徑10 m的Ⅰ表示壓降區(qū)；10～15 m的Ⅱ表示壓增區(qū)；15 m外的Ⅲ表示平衡區(qū)。

圖8 壓裂孔圍巖應(yīng)力分布示意

4 水壓預(yù)裂鉆孔

4.1 設(shè)計(jì)原則及鉆孔布置

設(shè)計(jì)原則：根據(jù)水壓預(yù)裂力學(xué)準(zhǔn)則，結(jié)合143工作面老頂?shù)膸r性、塊度及開采條件等確定設(shè)計(jì)原則。①基于工作面水壓預(yù)裂工程經(jīng)驗(yàn)，并匹配原有設(shè)備的壓裂能力，故壓裂鉆孔間距為10 m；②通過(guò)分析地質(zhì)資料，該工作面上覆基巖層的直接頂破碎，屬良好滲透層，不利于壓裂，故壓裂層位應(yīng)避免；③工作面老頂厚度7.5 m左右，整體強(qiáng)度高，塊度大，故屬重點(diǎn)壓裂區(qū)域。

水壓預(yù)裂鉆孔布置：①在145回風(fēng)巷道向143運(yùn)輸巷道頂板上方施工跨煤柱壓裂鉆孔。鉆孔A(A1-A5)和鉆孔B(B1-B5)，計(jì)劃將A、B鉆孔交替垂直于巷道幫部布置，如圖9所示；②鉆孔A1、B1、A2、B2、A3位于架后，鉆孔B3、A4、B4、A5、B5位于超前段；③鉆孔A和鉆孔B開口位置距離底板3.1 m處，鉆孔進(jìn)尺總計(jì)：181.7 m(5個(gè)A孔)+166.5 m(5個(gè)B孔)=348.2 m。

圖9 壓裂鉆孔布置示意

4.2 鉆孔壓裂試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)水壓預(yù)裂理論計(jì)算以及水壓預(yù)裂技術(shù)工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，估算本次水壓預(yù)裂壓力約20～46 MPa?？椎字量卓谝来螇毫?，壓裂間隔3.5～5 m，平均壓裂兩次；超前高位鉆孔單次壓裂時(shí)間約22 min，低位鉆孔單次壓裂時(shí)間約13 min。其壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖10所示?；?43工作面老頂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)水壓預(yù)裂能對(duì)老頂高效率壓裂，其高壓水可擴(kuò)展至臨近位置鉆孔，影響區(qū)域?yàn)橐詨毫芽诪閳A心的6～10 m半徑范圍。其試驗(yàn)結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)吻合，故取水力裂縫的擴(kuò)展半徑為6 m，裂縫可實(shí)現(xiàn)有效貫通。

圖10 水壓預(yù)裂壓力監(jiān)測(cè)

5 結(jié)論

(1)應(yīng)用RFPA2D-Flow數(shù)值計(jì)算軟件，建立了鉆孔水壓預(yù)裂模型。數(shù)值模擬表明，當(dāng)注水壓力達(dá)到24 MPa時(shí)，巖層開始起裂，隨后壓裂裂隙向巖體深部呈“十字”型擴(kuò)展，在壓裂結(jié)束后，裂隙延伸擴(kuò)展長(zhǎng)度可達(dá)到7～10 m左右；水壓預(yù)裂影響范圍半徑可達(dá)10 m。

(2)設(shè)計(jì)實(shí)施了平行順槽巷道和跨煤柱垂直順槽兩種鉆孔設(shè)計(jì)及其優(yōu)化方案，試驗(yàn)獲得了懸頂水壓預(yù)裂技術(shù)壓裂壓力、壓裂時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)，并驗(yàn)證了數(shù)值模擬的合理性。試驗(yàn)表明，端頭懸頂走向長(zhǎng)度從27～30 m降為5～8 m，傾向?qū)挾葟?0～15 m降為2～5 m；工作面上隅角瓦斯控制在0.3%左右。