定向水力致裂技術(shù)在堅(jiān)硬頂板弱化控制中的應(yīng)用

王文斌

(大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司同家梁礦，山西 大同 037003）

在近水平厚煤層開(kāi)采過(guò)程中，綜放一次采全高雖然提高了產(chǎn)能和效率，但是也造成采場(chǎng)上覆巖層結(jié)構(gòu)失衡，礦壓顯現(xiàn)較為強(qiáng)烈，圍巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，易出現(xiàn)下沉、變形甚至出現(xiàn)沖擊地壓災(zāi)害等情況。8111 綜放工作面的臨空順槽5111 巷就出現(xiàn)了巷道頂板下沉、底鼓、幫鼓嚴(yán)重等問(wèn)題，集團(tuán)公司決定通過(guò)定向水力致裂技術(shù)解決這一問(wèn)題。

1 概況

馬脊梁礦8111 工作面屬石炭系C3#煤層，其地面標(biāo)高1306～1405 m，井下標(biāo)高873～909.4 m，設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量380 萬(wàn)t。C3#煤層賦存條件較好，煤層厚度可達(dá)5.30～8.10 m，平均6.80 m，屬中厚煤層。C3#煤層中存在3～5 層夾矸層，水平傾角較小約為2～4°。瓦斯?jié)舛认鄬?duì)較小，其中相對(duì)瓦斯涌出量為0.35 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量0.76 m3/min。8111 工作面走向長(zhǎng)度約為239.4 m，頭順槽長(zhǎng)2466 m，尾順槽長(zhǎng)2481 m。

5111 巷至8111 工作面切眼531 m 位置與停采線間相鄰段為臨空巷道，為已采工作面8101 工作面采空區(qū)，其間留設(shè)有30 m 寬的煤柱。臨空巷道5111 巷頂板需要承受本工作面采動(dòng)所產(chǎn)生的超前支承力，同時(shí)與8101 采空區(qū)老頂連接，受到該區(qū)域頂板所形成的懸梁結(jié)構(gòu)傳遞的殘余支承應(yīng)力。兩種作用會(huì)造成5111 巷頂板應(yīng)力集中，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，會(huì)造成頂板下沉、底板底鼓和片幫。巷道支護(hù)的錨桿和錨索出現(xiàn)部分失效（如圖1 所示），并且部分單體支柱也出現(xiàn)支護(hù)失效和損壞，巷道變形嚴(yán)重，最嚴(yán)重的區(qū)段高度由原來(lái)的3.7 m 降低至0.9 m，寬度由5.4 m 縮減為3.6 m。

圖1 礦壓顯現(xiàn)導(dǎo)致的破壞現(xiàn)場(chǎng)圖

2 定向水力致裂技術(shù)原理與施工工藝

定向水力致裂其原理是通過(guò)利用高壓水流切斷煤巖體的原有結(jié)構(gòu)聯(lián)系，從而起到定向轉(zhuǎn)移部分上覆巖層壓力，主動(dòng)改善煤巖體中的應(yīng)力集中狀況。煤、巖體被水分充分浸潤(rùn)后，滲透能力增強(qiáng)，抗壓能力和彈性模量下降，微觀結(jié)構(gòu)中的相互粘結(jié)作用下降，呈現(xiàn)出應(yīng)力跌落現(xiàn)象，但整體結(jié)構(gòu)的柔性和塑性會(huì)出現(xiàn)一定的增強(qiáng)，承壓過(guò)程中所受到?jīng)_擊傾向減弱，并延長(zhǎng)受破壞時(shí)間。水力致裂過(guò)程的高壓水流能夠?qū)?yīng)力集中的部分應(yīng)力進(jìn)行轉(zhuǎn)移和重新分布，起到提高應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)煤巖體圍巖穩(wěn)定性的作用。水力致裂作業(yè)過(guò)程中，單純利用高壓水流造成深度孔壁裂隙效果并不明顯，需要對(duì)鉆孔進(jìn)行人工切槽定向致裂，再通過(guò)切縫鉆頭流出的高壓水流沖擊槽面的尖端，而鉆桿在設(shè)定位置旋轉(zhuǎn)射出高壓水流后退，重復(fù)該工序后形成需要的徑向裂縫，封孔后繼續(xù)注入高壓水流，裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展。

水力致裂成套裝備包括井下用高壓注水泵、水箱、定向水力致裂開(kāi)槽鉆頭、刀片及專(zhuān)用封孔器等（如圖2 所示）。其中，高壓泵及配套管路為工作面乳化液工作站內(nèi)配套設(shè)備，輔助配備水流壓力與流量的各類(lèi)儀表與鉆孔窺視鏡等。鉆機(jī)采用ZYJ-400/135 型架柱式鉆機(jī)，鉆孔直徑為Φ50 mm，高壓泵最大工作壓力為40 MPa。

圖2 特高壓水力致裂成套裝備

定向水力致裂弱化圍巖技術(shù)工藝流程順序?yàn)椋鹤⑺@孔施工—開(kāi)槽—分段式封孔—高壓注水。水力致裂鉆孔施工，提前對(duì)需要軟化圍巖應(yīng)力的實(shí)體煤巖體前方傾斜向上施致裂鉆孔，通過(guò)架柱式鉆機(jī)對(duì)頂板進(jìn)行施工。當(dāng)施工至預(yù)定位置后，通過(guò)定向水力致裂開(kāi)槽鉆頭對(duì)孔底施兩倍直徑的楔形槽，并通過(guò)鉆孔窺視鏡查驗(yàn)鉆孔開(kāi)槽情況。對(duì)完成開(kāi)槽后的致裂鉆孔進(jìn)行預(yù)沖孔處理，通過(guò)跨式封孔器對(duì)切槽位置進(jìn)行封孔。最后，通過(guò)高壓注水泵對(duì)封堵后的鉆孔進(jìn)行注水致裂。

3 定向水力致裂技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐

3.1 方案設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)8111 工作面老頂施水力致裂鉆孔，以此弱化5111 臨空巷應(yīng)力集中。水力致裂鉆孔施工超前工作面200 m，沿5111 臨空巷煤柱側(cè)巷幫，朝向8101 采空區(qū)方向施水力致裂鉆孔，鉆孔直徑50 mm。水力致裂鉆孔單排布置，間距20 m，深度約28.4 m，并與底板呈26°仰角，沿5111 煤柱巷幫側(cè)水平投影距離25 m。8111 工作面水力鉆孔布置平面圖如圖3 所示。

圖3 8111 工作面水力鉆孔布置平面圖

水力致裂鉆孔采用封孔器封孔過(guò)程中，安裝桿及高壓膠管需要安裝牢固，避免加壓過(guò)程中脫開(kāi)對(duì)周?chē)藛T、設(shè)備等造成損傷。封孔器安裝時(shí)嚴(yán)禁人員處于鉆孔正下方，開(kāi)始加壓后操作人員應(yīng)遠(yuǎn)離鉆孔附近，并保持20 m 以上的安全距離，高壓注水停泵操作5 min 以上方可進(jìn)入鉆孔附近區(qū)域進(jìn)行相關(guān)檢查和操作。水力致裂過(guò)程應(yīng)逐級(jí)進(jìn)行，并確保鉆孔封孔后無(wú)滲水、漏水現(xiàn)象。加壓致裂過(guò)程中通過(guò)水壓流量?jī)x對(duì)加壓過(guò)程中的水流流速和水壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)水泵流量突然增大，應(yīng)及時(shí)停止水泵的加壓。監(jiān)控過(guò)程中需注意觀察相鄰鉆孔和鉆孔附近巷道頂板支護(hù)中錨桿和錨索末端滲水情況，用來(lái)確定水力致裂后的裂隙范圍情況，當(dāng)該現(xiàn)象發(fā)生后且水壓發(fā)生明顯下降時(shí)，停止加壓。同時(shí)致裂加壓過(guò)程還需要考慮輔助巷的超前支護(hù)狀況，監(jiān)控支護(hù)的單體液壓支柱工作阻力和活柱量變化。

3.2 應(yīng)用效果

以18#鉆孔壓裂過(guò)程為例，使用徐州佑學(xué)礦業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的HF60 型水力致裂測(cè)控儀記錄水壓隨時(shí)間的變化。致裂時(shí)最大水壓達(dá)到23 MPa，致裂時(shí)第6～12 min 停泵更換損壞的高壓膠管密封圈，再次啟動(dòng)高壓泵后水壓下降到9 MPa 左右，并維持穩(wěn)定。從壓力曲線的走勢(shì)可以明顯看出，在第13 min 時(shí)頂板明顯被壓開(kāi)，形成預(yù)裂切縫。18#鉆孔水力致裂壓力曲線圖如圖4 所示。

自5111 巷1890 m 處開(kāi)始實(shí)施水力致裂，截至水力致裂鉆孔施工結(jié)束至90 m 處，共施工96 個(gè)鉆孔，成功預(yù)裂93 個(gè)（其中3 個(gè)鉆孔塌孔無(wú)法致裂），致裂時(shí)水壓為7～53 MPa。自5111 巷1890～90 m 段水力致裂弱化圍巖后，巷道頂板礦壓顯著下降，說(shuō)明致裂切頂有效打斷臨空巷頂板與鄰近采空懸頂間的聯(lián)系，并且5111 巷分別能夠確保高度1.8 m 和寬度4.2 m 的最小安全通過(guò)出口，較致裂切頂前得到極大改善。

圖4 18#鉆孔水力致裂壓力曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)施工水力致裂切頂鉆孔，在基本頂內(nèi)形成切縫，有效避免了5111 巷頂板同時(shí)承受超前支承壓力和采空區(qū)殘余壓力而導(dǎo)致的縮幫、頂板下沉等變形。根據(jù)實(shí)踐證明，這一技術(shù)在控制巷道變形方面具有明顯的作用，為同煤集團(tuán)類(lèi)似工作面的圍巖控制提供了參考。