大采高工作面二次動壓巷道水力壓裂切頂卸壓技術(shù)研究

陳 真，石 蒙，楊 征，謝永利，司建鋒

(1.陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司，陜西 神木 719302；2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；3.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013)

0 引 言

煤礦開采過程中，由于頂板存在堅(jiān)硬且不易垮落的巖層，易造成工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈、圍巖變形嚴(yán)重、巷道支護(hù)難度大等問題，給煤礦安全生產(chǎn)帶來很大的挑戰(zhàn)。通常為便于工作面接續(xù)和通風(fēng)，新建大型煤礦大都選擇雙巷布置[1-2]，其中有一條巷道服務(wù)周期內(nèi)要經(jīng)歷多次動壓影響，圍巖穩(wěn)定性控制更為困難。對于這種情況，單純增大錨桿索支護(hù)的強(qiáng)度和密度，難以取得良好的效果，針對堅(jiān)硬完整頂板巖層采取切頂卸壓是緩解強(qiáng)烈礦壓顯現(xiàn)的有效方法[3]。近年來，水力壓裂切頂卸壓技術(shù)得到了長足的發(fā)展，克服了爆破卸壓的缺點(diǎn)，是一種綠色高效的切頂卸壓技術(shù)。

針對水力壓裂卸壓技術(shù)，國內(nèi)學(xué)者通過研究取得了一系列的成果。徐成等[4]利用ABAQUS軟件建立縱向切槽水力壓裂二維模型，對縱向切槽水力壓裂裂縫偏轉(zhuǎn)規(guī)律以及預(yù)測擴(kuò)展路徑進(jìn)行了詳細(xì)的研究。張亮[5]針對動壓巷道變形嚴(yán)重的問題，提出了綜放工作面定向預(yù)裂切頂卸壓技術(shù)，降低了區(qū)段煤柱的應(yīng)力集中，從而控制回采巷道的大變形。程蓬[6]提出了基于單孔分段多次壓裂為核心的特厚煤層堅(jiān)硬頂板、強(qiáng)烈動壓條件下巷道水力壓裂切頂控頂成套技術(shù)，試驗(yàn)表明能夠?qū)?jiān)硬難垮頂板實(shí)現(xiàn)分層分段預(yù)裂與軟化。孫志勇等[7]研究了水力壓裂切頂卸壓技術(shù)在大采高留巷中的作用本質(zhì)，通過工業(yè)性試驗(yàn)得出了未壓裂以及壓裂后煤柱垂直應(yīng)力的超前、滯后工作面范圍。

小保當(dāng)一號煤礦112202綜采工作面回風(fēng)順槽經(jīng)歷第二次工作面回采影響時，工作面推采過程中巷道礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，全斷面圍巖變形破壞嚴(yán)重，影響工作面正常推進(jìn)。為了解決二次動壓巷道圍巖控制難題，本文基于112202工作面回風(fēng)順槽生產(chǎn)地質(zhì)與應(yīng)力條件，研究水力壓裂切頂卸壓機(jī)理，提出針對性的水力壓裂切頂卸壓方案并進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)與效果監(jiān)測，對于大采高工作面二次動壓巷道圍巖合理控制具有實(shí)際意義。

1 工程概況

小保當(dāng)一號煤礦設(shè)計(jì)產(chǎn)量15 Mt/a，主采2-2煤層，采用大采高綜采開采方式。 煤層厚度5.8～6.6 m，埋深約為350 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，完整性很好，直接頂巖性為粉砂巖，基本頂巖性為中粒砂巖，基本頂之上賦存厚度較大的巖層為厚約16.57 m的粉砂巖、5.07 m的細(xì)粒砂巖和13.64 m的粉砂巖，其中粉砂巖強(qiáng)度較高，原位測試抗壓強(qiáng)度平均達(dá)到43 MPa。煤層底板直接底巖性細(xì)粒砂巖、基本底巖性為粉砂巖。煤層頂?shù)装寰唧w情況如圖1所示。

圖1 綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive geological histogram

小保當(dāng)一號煤礦工作面回采巷道采用雙巷掘進(jìn)方式，區(qū)段凈煤柱寬度為20 m，112202工作面回風(fēng)順槽是原112201工作面輔運(yùn)順槽，它為兩個工作面服務(wù)，屬于留巷巷道，巷道布置如圖2所示。

112202回風(fēng)順槽在112201工作面回采期間受滯后采動應(yīng)力影響，滯后工作面50～200 m時，出現(xiàn)明顯的片幫底鼓。在112202工作面回采期間，回風(fēng)順槽經(jīng)受第二個工作面采動影響，超前段巷道全斷面來壓，出現(xiàn)回采幫垮幫、煤柱幫內(nèi)擠、頂板離層漏冒和底鼓，嚴(yán)重時會影響工作面推進(jìn)，超前段巷道變形示意圖如圖3所示。

圖2 112202回風(fēng)順槽平面布置圖Fig.2 Layout of return-air roadway of112202 working face

圖3 112202回風(fēng)順槽超前段巷道變形示意圖Fig.3 Schematic diagram of roadway deformation inadvance of return-air roadway of112202 working face

2 水力壓裂切頂卸壓機(jī)理

分析112202回風(fēng)順槽礦壓顯現(xiàn)的原因，主要為兩方面：一是由于112201工作面回采后，煤層上方完整堅(jiān)硬頂板垮落不充分，造成側(cè)向壓力作用在煤柱和112202回風(fēng)順槽圍巖；二是112202工作面回采時，端頭處堅(jiān)硬頂板垮落不及時，一旦集中垮落，形成較大的超前支承應(yīng)力，并與側(cè)向應(yīng)力形成疊加，從而造成高應(yīng)力集中。因此，采用水力壓裂切頂卸壓技術(shù)進(jìn)行堅(jiān)硬頂板控制，解決以上兩方面的高應(yīng)力問題。在煤柱側(cè)對頂板進(jìn)行預(yù)裂，阻斷側(cè)向應(yīng)力的傳遞路徑，并使作用在煤柱上的應(yīng)力得到減輕；對112201工作面端頭頂板預(yù)裂，使其能隨工作面推采及時、充分垮落，減弱超前支承壓力。通過這兩方面預(yù)裂作用，減輕作用在112202回風(fēng)順槽的應(yīng)力集中程度，降低巷道維護(hù)難度。

水力壓裂切頂卸壓主要工藝為利用液壓鉆機(jī)對頂板進(jìn)行鉆孔，鉆孔完畢后對壓裂目標(biāo)段進(jìn)行跨式封孔，然后注高壓水，產(chǎn)生壓裂裂縫，在壓裂段形成一個“準(zhǔn)破裂面”，同時降低頂板巖層巖石的整體強(qiáng)度和完整性[8-11]。工作面回采時，頂板巖層沿著預(yù)制的“準(zhǔn)破裂面”斷裂，阻斷了采空區(qū)應(yīng)力傳遞路徑，減小回采巷道頂板巖層在采空區(qū)形成的懸頂距，從而減輕回采時頂板壓力對回采巷道的影響，減輕圍巖礦壓顯現(xiàn)程度。 水力壓裂切頂卸壓機(jī)理如圖4所示。

對于已在經(jīng)受第二次工作面采動影響的二次動壓巷道，高應(yīng)力狀態(tài)很大程度來源于壓裂前端頭區(qū)域采空區(qū)后方懸頂自重及彎曲下沉產(chǎn)生的高附加應(yīng)力的影響。影響端頭懸頂對支承壓力水平的主要因素有：采空區(qū)后方懸頂塊體B的長度厚度、懸臂塊體B受到的與其形成鉸接結(jié)構(gòu)的巖塊C給其的鉸接反力[12]，如圖5(a)所示。水力壓裂切頂后，原懸頂區(qū)域會及時垮下，充填滿采空區(qū)，減少了上覆高位巖層的回轉(zhuǎn)空間，支撐了上覆高位巖層，并且會在一定程度上降低C巖塊對B巖塊的鉸接反力。水力壓裂切頂卸壓前后頂板覆巖結(jié)構(gòu)特征如圖5所示。

圖4 水力壓裂切頂卸壓機(jī)理Fig.4 Mechanism of hydraulic fracturing andcutting roof pressure relief

圖5 水力壓裂切頂卸壓前后頂板覆巖結(jié)構(gòu)特征Fig.5 Characteristics of roof rock structure beforeand after hydraulic fracturing and/>cutting roof pressure relief

3 水力壓裂技術(shù)方案

基于水力壓裂切頂卸壓機(jī)理，選擇在112202工作面回風(fēng)順槽進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，試驗(yàn)巷道長度500 m，為保證壓裂效果，并防止鉆孔受工作面采動影響塌孔，開始壓裂試驗(yàn)位置距離工作面200 m。根據(jù)頂板巖層結(jié)構(gòu)并結(jié)合預(yù)裂目的，確定水力壓裂鉆孔布置如下：在112202工作面回風(fēng)順槽布置2排鉆孔，分為A孔、B孔，A孔距離回采幫1.5 m，B孔距離煤柱幫1.0 m，頂板預(yù)裂高度設(shè)計(jì)為45.6 m，主要壓裂層位為兩層厚度較大的粉砂巖，鉆孔深度均為55 m，傾角60°，每排鉆孔間距15 m，A孔、B孔交錯布置，錯距約7.5 m。圖6為水力壓裂鉆孔布置圖。

圖6 水力壓裂鉆孔布置圖Fig.6 Hydraulic fracturing drilling plan(注：圖6(b)中層厚單位為m。)

鉆孔打設(shè)完畢后，從孔底開始后退式封隔壓裂，每個鉆孔內(nèi)每隔3 m左右進(jìn)行一次壓裂，為保護(hù)巷道頂板支護(hù)不受破壞，距離孔口10 m范圍不進(jìn)行壓裂。根據(jù)頂板情況與壓裂時周圍鉆孔出水情況，確定每次壓裂時間不得低于30 min，完成壓裂的鉆孔可作為下個壓裂鉆孔的觀測孔。

4 試驗(yàn)效果及分析

水力壓裂切頂技術(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)過程中，為具體掌握在采動影響過程中的巷道圍巖變形特征，分別在112202回風(fēng)順槽水力壓裂段和未壓裂段布置表面位移測站，采用常規(guī)的十字布點(diǎn)法進(jìn)行位移監(jiān)測，主要監(jiān)測工作面推采過程中，測站與工作面距離越來越近時巷道圍巖的位移變化，位移監(jiān)測曲線如圖7所示。

分析圍巖位移監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，工作面距離測站60～70 m時，圍巖位移出現(xiàn)明顯的增加，工作面距離測站20 m左右時，圍巖位移增幅最大。壓裂段工作面回采至測站處時，位移量最大，此時頂板下沉量為116 mm、底鼓量為348 mm、煤柱幫移近量為155 mm，回采幫位移量為107 mm。未壓裂段工作面回采至測站處時，頂板下沉量為217 mm、底鼓量為637 mm，煤柱幫移近量為315 mm，回采幫位移量為198 mm。 對比可知，壓裂段頂?shù)装逡平肯鄬ξ磯毫讯谓档图s54.3%，兩幫移近量降低約51.1%。

圖7 壓裂和未壓裂段巷道圍巖位移變化曲線Fig.7 Surrounding rock’s displacement curve in fractured and unfractured roadway

為監(jiān)測水力壓裂切頂卸壓技術(shù)對巷道煤體應(yīng)力的作用，在112202回風(fēng)順槽壓裂段和未壓裂段布置兩個煤體應(yīng)力監(jiān)測測站，每個測站兩幫都埋設(shè)鉆孔應(yīng)力計(jì)，用于監(jiān)測煤柱應(yīng)力和工作面煤體應(yīng)力，最大監(jiān)測深度為13 m。兩測站分別超前112202工作面320 m和600 m，鉆孔應(yīng)力計(jì)布置如圖8所示。

圖9為壓裂段和未壓裂段煤體應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果，由圖9(a)和圖9(b)可知，壓裂段煤體距工作面60 m左右時有開始產(chǎn)生明顯變化，整體數(shù)值變化比較緩和，直至工作面推采至測站附近時，煤柱應(yīng)力和工作面煤體應(yīng)力均沒有大幅增加，煤柱內(nèi)最大應(yīng)力為18.7 MPa(9 m深度)，工作面煤體內(nèi)最大應(yīng)力為15.5 MPa(11.5 m深度)，應(yīng)力集中系數(shù)不高，說明水力壓裂切頂作用對煤體應(yīng)力產(chǎn)生了一定程度的削減或轉(zhuǎn)移作用。由圖9(c)和圖9(d)可知，未壓裂段煤體應(yīng)力與隨工作面推進(jìn)的變化趨勢與壓裂段基本相同，同樣是距工作面60 m左右開始出現(xiàn)明顯增長，但工作面回采至附近時煤體應(yīng)力增長幅度要遠(yuǎn)大于壓裂段。 對于未壓裂段煤柱應(yīng)力，深度9 m、12 m、13 m處的最大應(yīng)力分別為32.2 MPa、29.7 MPa、31.4 MPa；對于未壓裂段工作面煤體應(yīng)力，深度6 m和11 m處的最大應(yīng)力分別為31.6 MPa和34.8 MPa。對比來看，壓裂段煤體應(yīng)力相比未壓裂段煤體應(yīng)力降低了50%以上。

圖8 煤體應(yīng)力鉆孔應(yīng)力計(jì)布置圖Fig.8 Coal stress borehole stress gauge layout

圖9 壓裂段和未壓裂段煤體應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果Fig.9 Coal stress borehole stress gauge monitoring result

5 結(jié) 論

1) 大采高工作面二次動壓巷道在第二次工作面采動影響期間，超前段出現(xiàn)回采幫垮幫、煤柱幫內(nèi)擠、頂板離層漏冒和底鼓現(xiàn)象。主要原因?yàn)椋阂皇巧蠀^(qū)段工作面回采后，煤層上方堅(jiān)硬頂板垮落不充分，造成側(cè)向壓力作用在煤柱和二次動壓巷道；二是本工作面回采時，端頭處堅(jiān)硬頂板垮落不及時，集中垮落后，形成的超前支承壓力與側(cè)向應(yīng)力疊加，造成巷道圍巖高應(yīng)力集中。

2) 采用水力壓裂切頂卸壓技術(shù)進(jìn)行堅(jiān)硬頂板控制，在二次動壓巷道煤柱側(cè)對頂板進(jìn)行預(yù)裂，阻斷側(cè)向應(yīng)力傳遞路徑，減輕煤柱應(yīng)力集中；對本工作面端頭頂板預(yù)裂，使其能隨工作面推采及時垮落。通過這兩方面作用，減輕二次動壓巷道的應(yīng)力集中，降低巷道維護(hù)難度。

3) 水力壓裂切頂卸壓技術(shù)在小保當(dāng)一號煤礦112202工作面回風(fēng)順槽超前段進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)用，壓裂段頂?shù)装逡平肯鄬ξ磯毫讯谓档图s54.3%，兩幫移近量降低約51.1%，壓裂段煤體應(yīng)力相比未壓裂段煤體應(yīng)力降低了50%以上。確保工作面的正常回采，對于水力壓裂切頂卸壓技術(shù)在大采高工作面回采巷道應(yīng)力控制方面的推廣提供了借鑒。