趙莊煤礦井下頂板水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用研究

秦江波

（山西晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長子 046600）

13103 巷（原13092 巷）巷道斷面為矩形，沿頂留底掘進(jìn)，寬度為5000 mm，高為4500 mm，斷面積為22.5 m2，凈寬為4800 mm，凈高為4400 mm，凈斷面積為21.12 m2，采用樹脂加長錨固錨桿組合支護(hù)系統(tǒng)，并進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)。巷道靠北幫頂部布置有瓦斯抽放管，北幫有風(fēng)水管路等，南幫有電纜、信號(hào)線等。卸壓施工區(qū)域?yàn)?310 工作面13103 巷區(qū)段，對(duì)應(yīng)于13091巷未施工區(qū)域，包括9～11#橫川（220 m）、7#橫川至停采線位置（825 m）。各巷道位置關(guān)系如圖1所示，綜采面頂板各分層的碎脹高度如表1所示。

1 壓裂巖層層位設(shè)計(jì)

煤礦井下巖層的垮落帶的實(shí)際厚度是指巖層在充分垮落后在采空區(qū)域充分壓實(shí)后堆積的高度。不同的地質(zhì)條件下井下巷道垮落帶的巖層厚度計(jì)算方式不一致，在綜采面巷道較為平緩的開采面中巖層的垮落帶的理論高度計(jì)算公式可表示為：

式中：

M'-綜采面的實(shí)際綜采高度，m；

C-煤礦井下實(shí)際的綜采作業(yè)煤炭回采率；

KK-煤礦井下垮落帶處垮落的巖石的碎脹系數(shù)。

應(yīng)根據(jù)井下實(shí)際情況，結(jié)合垮落帶的分層情況，對(duì)煤礦井下巖層的垮落帶實(shí)際厚度進(jìn)行計(jì)算。如果各個(gè)垮落帶層堆疊后的實(shí)際高度超過了垮落帶的理論高度，則垮落帶高度之上的分層可以作為該層級(jí)的最后一個(gè)分層，則此時(shí)垮落帶的實(shí)際的巖層厚度就是從最下面到最后一個(gè)分層的堆積高度。如果煤層上側(cè)煤層較厚而且不會(huì)出現(xiàn)冒頂情況時(shí)，應(yīng)對(duì)該頂板進(jìn)行人工垮落處理，人工垮落處理后的堆積高度作為計(jì)算實(shí)際垮落高度的基準(zhǔn)，其判別公式可表示為：

式中：

Hi-從最下層巖層開始到上面第i 層巖層的總厚度，m；

H'i-從最下層巖層開始的第i 層分層的厚度，m；

Ki-從最下層巖層開始的第i 層分層和人工垮落區(qū)巖層厚度的總和；

h-巷道頂板的厚度，m；

Kz-巷道頂板上的巖石碎脹系數(shù)，取1.02～1.3。

綜合以上分析可知，頂板上方12.8～26.0 m 兩層堅(jiān)硬砂巖層也參與了頂板的移運(yùn)。由于煤礦井下頂板的實(shí)際厚度大而且頂板的硬度較大，難以進(jìn)行自然垮落，當(dāng)綜采不斷進(jìn)行時(shí)，采空區(qū)上的頂板懸臂越來越長，在綜采擾動(dòng)或者礦壓波動(dòng)下極易導(dǎo)致頂板的突然破斷，進(jìn)而導(dǎo)致巨大的強(qiáng)壓出現(xiàn)，影響井下綜采作業(yè)的安全性。因此需要人為在頂板上方12.8～26.0 m 范圍堅(jiān)硬砂巖層制造一些裂隙，使其在采動(dòng)應(yīng)力、側(cè)向支承應(yīng)力等的疊加影響下，周期性垮落破斷。

圖1 各巷道位置關(guān)系示意圖

表1 各頂板分層碎脹高度計(jì)算

2 壓裂鉆孔角度和孔間距分布

對(duì)于回采工作面高位堅(jiān)硬頂板采取的水力壓裂斷頂措施，一般認(rèn)為逆向工作面推進(jìn)方向布置壓裂鉆孔，頂板易于形成“砌體梁”平衡結(jié)構(gòu)，對(duì)控制頂板更為有效。因此，13103 巷中部壓裂鉆孔方位角280°。一盤區(qū)1310 工作面采用寬煤柱，煤柱尺寸不小于50 m，斷裂煤柱側(cè)向頂板可能性不大。通過在13103 巷順槽非生產(chǎn)幫側(cè)壓裂頂板孔，切斷頂板連續(xù)性，改善13103 巷周圍應(yīng)力環(huán)境，13103 巷非生產(chǎn)幫側(cè)壓裂鉆孔方位角180°。

13103 巷非生產(chǎn)幫側(cè)壓裂鉆孔55°，孔深22 m，深入煤柱水平距離12.6 m，深入頂板垂深16 m。13103 巷中部頂板壓裂孔60°，高位壓裂位置孔深27 m，深入頂板垂深23 m，低位壓裂位置孔深19 m，深入頂板垂深16 m。13103 巷水力壓裂鉆孔布置如圖2 所示。

圖2 13103 巷水力壓裂鉆孔布置結(jié)構(gòu)示意圖

鉆孔間距由壓裂裂縫擴(kuò)展半徑?jīng)Q定，不同開采條件、不同圍巖條件下的擴(kuò)展半徑也不盡相同，需要根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果來確定。通過對(duì)壓裂鉆孔附近不同距離的控制孔進(jìn)行觀測，查看裂隙擴(kuò)展范圍（依據(jù)鉆孔窺視結(jié)果判定）及出水情況，從而確定目標(biāo)區(qū)域的壓裂裂縫擴(kuò)展半徑R。為了裂縫間能更好地貫通，鉆孔間距一般不大于2R。根據(jù)頂板水力壓裂在內(nèi)蒙烏審旗地區(qū)礦井工作面施工經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)注水壓力不小于30 MPa、壓裂時(shí)間不小于30 min 的情況下，有效壓裂范圍超過了15 m，因此，在保證卸壓效果的前提下，初期可將水力壓裂鉆孔間距均設(shè)置為15 m。

壓裂鉆孔鉆進(jìn)時(shí)的工藝流程：鉆機(jī)移至施工地點(diǎn)→穩(wěn)固鉆機(jī)并定方位角、傾角→鉆孔開孔→依次接續(xù)鉆桿施工至壓裂位置→退桿→更換切割刀具→依次接續(xù)鉆桿施工至壓裂位置→旋轉(zhuǎn)割縫→退桿→更換注水鉆桿→安裝壓裂封孔器→依次接續(xù)鉆桿施工至壓裂位置→連接高壓管路→封孔壓裂→退桿→清理現(xiàn)場→移鉆機(jī)至下一個(gè)施工地點(diǎn)。

3 注水壓力設(shè)計(jì)

由于巖體的斷裂韌度參數(shù)的不確定性，因此，在進(jìn)行注水壓力設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)煤礦井下綜采面巖層實(shí)際的抗拉強(qiáng)度的極限值進(jìn)行設(shè)計(jì)。定向裂縫在如下壓力條件下產(chǎn)生：

式中：

P*z-巖體應(yīng)力，一般以自重應(yīng)力計(jì)算；

Rr-巖石極限抗拉強(qiáng)度。趙莊礦1310 工作面埋深700 m 左右，P*z 取17.5 MPa，砂巖極限抗拉強(qiáng)度Rr取3.93 MPa（根據(jù)煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全檢測中心提供的物理力學(xué)參數(shù)報(bào)告顯示：堅(jiān)硬砂巖抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)室測定值4.91 MPa，現(xiàn)場按強(qiáng)度80%計(jì)算，則Rr=3.93 MPa），則通過計(jì)算得到該巖層所需注水壓力為27.86 MPa。由于煤礦井下綜采面巖層密度分布不均勻，同時(shí)受到綜采時(shí)的機(jī)械擾動(dòng)、礦壓波動(dòng)的影響，無法精確地對(duì)壓裂時(shí)的壓力進(jìn)行計(jì)算。上式所計(jì)算結(jié)果一般為參考值，在壓裂時(shí)可以按此參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足對(duì)頂板的壓裂需求。壓力越大，越容易將巖層壓裂，流量（流速）越大，壓裂半徑越大，裂紋擴(kuò)展越快，對(duì)于流量的要求為不小于80 L/min。項(xiàng)目部注水泵型號(hào)為BZW125/50，其額定工作壓力為40 MPa，流量125 L/min，完全能夠滿足1310 工作面順槽頂板水力壓裂施工需求。

4 應(yīng)用效果分析

為了驗(yàn)證該水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用效果，趙莊煤礦選擇采用鉆孔窺視的方案對(duì)頂板水力的壓裂效果進(jìn)行分析，觀測設(shè)備采用了ZKXG30 礦用鉆孔成像軌跡檢測裝置。在進(jìn)行觀測時(shí)利用窺視儀的主機(jī)界面控制視頻探頭的聚焦和光線調(diào)整，逐步推進(jìn)并記錄切槽位置、水力壓裂效果等。該鉆孔窺視原理如圖3 所示。

根據(jù)實(shí)際觀測效果，鉆孔內(nèi)的巖層完整性高，刀具切槽痕跡平滑，水力壓裂后孔內(nèi)裂隙發(fā)育均勻，擴(kuò)展性好，在正常情況下保證巖層的穩(wěn)定性，當(dāng)出現(xiàn)礦壓波動(dòng)時(shí)能夠平穩(wěn)的垮落，自應(yīng)用以來顯著提升了趙莊礦的綜采安全性。

圖3 鉆孔窺視原理示意圖

5 結(jié)論

針對(duì)趙莊礦13103 巷道綜采面井下地質(zhì)情況復(fù)雜、易出現(xiàn)頂板垮落的現(xiàn)象，提出了一種在皮帶順槽開展頂板雙向水力壓裂工藝，在高低位頂板巖層中預(yù)制裂隙，使頂板在礦壓作用下及時(shí)垮斷，減小機(jī)頭區(qū)域頂板逆推進(jìn)方向和側(cè)向懸頂距，破壞力源及儲(chǔ)能條件，最大限度減弱側(cè)向懸頂對(duì)煤柱作用力的方案。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，該頂板雙向水力壓裂工藝具有操作簡單、壓裂效果好的優(yōu)點(diǎn)，顯著提升了13103 綜采面的綜采作業(yè)效率和頂板穩(wěn)定性。