顧橋礦頂板水力壓裂控制大巷變形技術(shù)研究

張 瑞，蔡青旺，黃炳香，陳樹(shù)亮，金 峰

(1.淮南礦業(yè)集團(tuán)煤業(yè)分公司 顧橋煤礦，安徽 淮南 232000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

在我國(guó)的煤礦巷道中，高地應(yīng)力巷道的比重約為70%[1]，其中持續(xù)遭受動(dòng)壓影響的大巷嚴(yán)重影響礦井安全高效生產(chǎn)。對(duì)于高地應(yīng)力巷道的圍巖控制，應(yīng)力轉(zhuǎn)移是其中重要的解決辦法之一，侯朝炯等提出了松動(dòng)爆破、超前鉆孔等多種控制技術(shù)[1-3]，在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用中取得了實(shí)際效果[4，5]。在高地應(yīng)力巷道中，終采線附近的大巷不僅受到本工作面動(dòng)壓影響，還受到由關(guān)鍵巖層傳導(dǎo)的遠(yuǎn)場(chǎng)采動(dòng)應(yīng)力的影響；這類巷道具有變形量大、變形時(shí)間長(zhǎng)、巷道破壞嚴(yán)重的特點(diǎn)。采用炸藥爆破等傳統(tǒng)手段轉(zhuǎn)移應(yīng)力時(shí)，裂縫對(duì)巖體的改造范圍較小，安全及管理成本較高，控制效果不理想[6]。煤巖體水力壓裂技術(shù)通過(guò)水力裂縫實(shí)現(xiàn)煤巖體強(qiáng)度弱化，具有控制范圍大、施工安全、成本低等優(yōu)點(diǎn)[7]。水壓致裂技術(shù)在解決生產(chǎn)工作面堅(jiān)硬頂板控制難題上取得了理想的效果[8-11]，在巷道應(yīng)力轉(zhuǎn)移方面也得到了較為深入的研究和實(shí)際的運(yùn)用[12-14]。但是受施工條件等工程因素影響，水力裂縫的實(shí)際起裂和有效擴(kuò)展位置無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，難以保證施工的有效性；利用鉆孔窺視等手段只能觀測(cè)到鉆孔周圍的裂縫分布，對(duì)于水力裂縫實(shí)際有效改造的巖層無(wú)法判斷。在水力壓裂過(guò)程中判斷裂縫擴(kuò)展情況，及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)壓裂有助于提高壓裂有效性和安全性。

淮南礦業(yè)集團(tuán)顧橋煤礦一直面臨典型的高應(yīng)力動(dòng)壓巷道圍巖控制問(wèn)題。由于該礦的巷道頂板中存在多層堅(jiān)硬關(guān)鍵巖層，使用傳統(tǒng)的爆破切頂、留寬煤柱等措施均無(wú)法有效地控制巷道圍巖。使用水力壓裂切頂時(shí)，如果不能較精準(zhǔn)地切斷多層關(guān)鍵層，也難以保證巷道應(yīng)力的轉(zhuǎn)移效果。在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的技術(shù)裝備[7]支持下，該礦在1312(1)首采工作面開(kāi)采期間，開(kāi)展頂板水力壓裂實(shí)現(xiàn)應(yīng)力轉(zhuǎn)移保護(hù)盤區(qū)大巷技術(shù)試驗(yàn)。試驗(yàn)引入成套水力致裂專用裝備，做到壓裂過(guò)程的安全可控；同時(shí)針對(duì)頂板具有多層關(guān)鍵巖層的特點(diǎn)，基于水力裂縫的擴(kuò)展、穿層規(guī)律[15，16]，設(shè)計(jì)精準(zhǔn)分層壓裂方案；在施工過(guò)程中，定點(diǎn)分段壓裂，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水壓力變化，評(píng)估壓裂效果和調(diào)整壓裂參數(shù)。最后通過(guò)監(jiān)測(cè)巷道變形量等參數(shù)，檢驗(yàn)通過(guò)頂板多關(guān)鍵層精準(zhǔn)壓裂來(lái)保護(hù)盤區(qū)大巷的實(shí)際效果。

1 工作面條件

1.1 地質(zhì)條件

1312(1)工作面總體為單斜構(gòu)造，煤層傾角平均6°，煤厚0.5～4.0m，平均2.8m，受構(gòu)造影響存在多個(gè)薄煤區(qū)，原始瓦斯壓力0.12～0.45MPa，原始瓦斯含量3.0～4.3m3/t。老頂為10.1m厚粉砂巖(細(xì)砂巖)，單軸抗壓強(qiáng)度21.12MPa，少量裂隙發(fā)育，致密堅(jiān)硬，水平層理清晰。直接頂為12.4m厚的砂質(zhì)泥巖(泥巖)，單軸抗壓強(qiáng)度12.19MPa，間夾0.4m厚的煤層、煤線等。直接底為總共6.1m厚的泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、11-1煤層。

在靠近終采線處地質(zhì)勘探鉆孔柱狀如圖1所示，該處煤層厚度接近3.75m，在煤層上方10.6m處有11.22m厚的粉砂巖，單軸抗壓強(qiáng)度是21.1MPa；在煤層上方39.6m處有7.94m厚的粉砂巖，單軸抗壓強(qiáng)度22.5MPa(表1)。兩層粉砂巖層均致密堅(jiān)硬，裂隙不發(fā)育。

表1 頂板堅(jiān)硬巖層厚度和測(cè)定強(qiáng)度

1.2 技術(shù)條件

1312(1)工作面為北二采區(qū)首采面，采用U型通風(fēng)，工作面內(nèi)采用傾斜長(zhǎng)壁采煤法后退式綜合機(jī)械化采煤工藝，正?；夭善陂g工作面沿11-2煤層頂板回采，一次采全高全部垮落法管理頂板。1312(1)工作面的長(zhǎng)度1838.7m，寬度260m，面積478062m2，標(biāo)高-772.0～-549.9m。

1312(1)工作面巷道布置如圖1所示。工作面北部是1314(1)運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面，南部是1311(1)運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面，西面為北二采區(qū)11-2煤層防水煤柱，東到北二11-2煤層回風(fēng)大巷。周圍工作面及上覆13-1煤層均未采掘，1312(1)工作面上方有1312(3)瓦斯底抽巷已掘進(jìn)完畢。設(shè)計(jì)終采線距北二盤區(qū)底板運(yùn)輸機(jī)巷220m，距離1312(1)軌道運(yùn)輸巷提料斜巷開(kāi)口50m，距離1312(1)運(yùn)輸提料斜巷開(kāi)口70m。

盤區(qū)大巷采用錨網(wǎng)索及架棚聯(lián)合支護(hù)。工作面停采后，1312(1)軌道運(yùn)輸巷提料斜巷和1312(1)運(yùn)輸提料斜巷要繼續(xù)保留，用于服務(wù)下一工作面。

2 問(wèn)題分析及控制思路

2.1 問(wèn)題分析

在相鄰及本工作面回采過(guò)程中，采動(dòng)應(yīng)力超前集中；工作面在巷道附近停采后，遠(yuǎn)場(chǎng)采動(dòng)應(yīng)力通過(guò)上覆巖層傳遞至巷道圍巖中，造成大巷持續(xù)變形，巷道維護(hù)難度大。

圖1 1312(1)工作面巷道平面布置及鉆孔柱狀

為了減小大巷變形，確保礦井的正常生產(chǎn)，通常采用留設(shè)寬保護(hù)煤柱的方法；但使用這種方法一方面造成了資源浪費(fèi)；另一方面隨著礦井埋深的增加以及工作面開(kāi)采強(qiáng)度的加大，保護(hù)煤柱對(duì)巷道的保護(hù)范圍有限。巷道依然可能因?yàn)橹車ぷ髅娴幕夭蓴_動(dòng)而出現(xiàn)不同程度變形，嚴(yán)重延誤生產(chǎn)。

該礦在同一煤層的其他采區(qū)(盤區(qū))的回采期間，大巷一直受到采動(dòng)應(yīng)力影響，出現(xiàn)不同程度變形，維護(hù)困難。在1312(1)工作面(北二采區(qū))回采期間，結(jié)合實(shí)際頂板地質(zhì)條件，提前采取措施應(yīng)對(duì)，控制大巷變形。根據(jù)在終采線附近“四13”號(hào)地質(zhì)勘探鉆孔柱狀圖可知，在距離11煤層上方10.6m和39.6m處分別有11.22m厚和7.94m厚的粉砂巖頂板，兩層粉砂巖層均致密堅(jiān)硬，裂隙不發(fā)育，為傳遞遠(yuǎn)場(chǎng)采動(dòng)應(yīng)力的煤層上覆堅(jiān)硬頂板關(guān)鍵巖層，是大巷變形嚴(yán)重的潛在主要誘因之一。

2.2 控制思路

水力壓裂技術(shù)是通過(guò)鉆孔向煤巖體持續(xù)注入高壓水，在流固耦合作用下，使鉆孔的孔壁破裂，裂縫持續(xù)擴(kuò)展，達(dá)到結(jié)構(gòu)改造的目的，進(jìn)而滿足強(qiáng)度弱化、增透、應(yīng)力轉(zhuǎn)移等工程要求[8]。具有單孔控制距離大，鉆孔施工工程量??；作業(yè)過(guò)程中動(dòng)力擾動(dòng)小，易于管理，安全性高，作業(yè)環(huán)境好等優(yōu)勢(shì)。為減小工作面動(dòng)壓對(duì)盤區(qū)大巷的影響，同時(shí)多采出煤炭資源，采用水力壓裂技術(shù)對(duì)1312(1)上覆頂板進(jìn)行切頂卸壓，提前切斷采動(dòng)應(yīng)力傳遞的通道，保護(hù)盤區(qū)大巷。

頂板分層壓裂應(yīng)力轉(zhuǎn)移控制方案如圖2所示，在工作面終采線處定向切斷距離11煤層頂板10.6m的粉砂巖，減小工作面采動(dòng)應(yīng)力對(duì)盤區(qū)大巷的影響，將粉砂巖層及上覆巖層的應(yīng)力向采空區(qū)方向轉(zhuǎn)移；同時(shí)切斷距離11煤層39.6m的粉砂巖，進(jìn)一步阻斷采動(dòng)應(yīng)力對(duì)盤區(qū)大巷的影響。具體施工分為兩個(gè)階段：①工作面停采前，在兩條斜巷中布置鉆孔，用于壓裂距離煤層頂板39.6m處的粉砂巖層；②工作面停采拆除采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)后，在架間垂直于煤壁斜向前方施工一組鉆孔，用于定向切斷距離煤層頂板10.6m的粉砂巖層。

圖2 頂板分層壓裂應(yīng)力轉(zhuǎn)移控制方案

3 施工方案及過(guò)程

3.1 鉆孔施工

工作面停采前在斜巷按照設(shè)計(jì)方案預(yù)先布置鉆孔，進(jìn)行壓裂；工作面停采后，在工作面架間布置鉆孔進(jìn)行壓裂。鉆孔的空間布置如圖3所示，其中在斜巷施工的鉆孔鉆至高位砂巖頂板中部，在工作面架間施工的鉆孔鉆至煤層上部的低位砂巖頂板中部。在工作面架間用于定向壓裂的鉆孔使用開(kāi)槽鉆頭在孔底開(kāi)環(huán)槽，然后進(jìn)行水力壓裂[17]。

圖3 1312(1)工作面斜巷及架間壓裂鉆孔布置

3.2 壓裂施工

采用60MPa井下煤巖體水力壓裂成套裝備進(jìn)行水力壓裂施工。煤礦井下專用高壓壓裂泵，額定流量200L/min，額定水壓力56MPa。采用增強(qiáng)型橡膠水力壓裂專用封孔器進(jìn)行封孔，根據(jù)鉆孔深度采用不同節(jié)數(shù)的高壓密封專用管路與封孔器連接，實(shí)現(xiàn)深孔分段封孔。各部件之間采用高壓膠管和專用轉(zhuǎn)接頭進(jìn)行連接；配套的管路、封孔器、安裝桿額定壓力均為60MPa以上。采用水壓力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓裂期間的水壓力，保障施工安全性和有效性。超前孔口80m處布置壓裂泵站、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及人員的作業(yè)空間，控制系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)靠近水箱。

共計(jì)壓裂鉆孔20個(gè)，各鉆孔依據(jù)切頂卸壓原理的設(shè)計(jì)施工參數(shù)不同，致裂位置、施工壓力和注水量等參數(shù)均不等。每個(gè)鉆孔的施工量根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和水壓力的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的反饋信息決定，目標(biāo)巖層切斷后即可合理控制致裂時(shí)間，減小工程量。致裂水壓力峰值變化范圍在11.8～47MPa，平均33.225MPa，注水量范圍在0.16～8.41m3，平均2.946m3，平均每個(gè)鉆孔的壓裂時(shí)間約15min。

典型的施工水壓力曲線如圖4所示，壓裂過(guò)程中的水壓力波動(dòng)幅度代表了水壓裂縫的擴(kuò)展體積。由圖4可知，水壓力曲線整體上呈現(xiàn)出2個(gè)階段。第一階段，水壓裂縫在目標(biāo)砂巖層中擴(kuò)展；第二階段，水壓裂縫在周圍巖層中擴(kuò)展。因?yàn)?號(hào)鉆孔為架間定向壓裂孔，水壓裂縫斜交貫穿巖層；目標(biāo)砂巖層與周圍泥巖層強(qiáng)度不同，導(dǎo)致了水壓裂縫在不同階段的水壓力不同。水壓力出現(xiàn)第一次較大降幅處即為目標(biāo)砂巖層被定向切斷。在各階段水壓力曲線呈現(xiàn)出密集的小幅度波動(dòng)，反映了水壓裂縫在同一巖層中發(fā)育擴(kuò)展的過(guò)程。因此，根據(jù)水壓力曲線特征，砂巖關(guān)鍵層被成功定向切斷。

圖4 架間8號(hào)鉆孔施工水壓力曲線

4 效果分析

4.1 現(xiàn)場(chǎng)效果

水力壓裂過(guò)程中，在斜巷壓裂高位砂巖頂板和在工作面架間壓裂低位砂巖頂板漏水情況不同。壓裂高位砂巖頂板時(shí)，只有相鄰鉆孔和本孔出水；壓裂低位砂巖頂板時(shí)，除了相鄰鉆孔和本孔外，壓裂孔周圍的錨桿、錨索和煤層頂板均有水滲出或者流出；說(shuō)明巖體層面影響水力裂縫的擴(kuò)展和分布。壓裂架間的8號(hào)鉆孔時(shí)，8號(hào)鉆孔周圍的頂板錨索有水滲出，在距8號(hào)孔水平距離20m的9號(hào)孔有乳白色的泥水滴落。說(shuō)明在目標(biāo)巖層中形成水壓裂縫后，水壓裂縫在巖層中的水平擴(kuò)展距離至少達(dá)到20m。傳統(tǒng)的裂縫擴(kuò)展范圍主要根據(jù)鉆孔出水判斷，受巖體特性的影響大；壓裂施工在水壓力測(cè)控系統(tǒng)的協(xié)助下，能通過(guò)水壓力及巖層地質(zhì)力學(xué)參數(shù)判斷裂縫當(dāng)下所在巖層以及擴(kuò)展范圍，以較小的工程量達(dá)到較好的切頂效果。

本試驗(yàn)中使用水力壓裂技術(shù)的目的主要是切斷關(guān)鍵巖層，注入的水量少，達(dá)到頂板“斷而不碎”的效果。需要切斷的兩層目標(biāo)砂巖所在位置與孔口的距離不同，其中高壓水在處于高位的砂巖層形成裂縫以后，順著弱裂隙帶或者巖層層理溝通其他鉆孔，實(shí)現(xiàn)卸壓，但是在裂縫擴(kuò)展的極限范圍內(nèi)，水壓裂縫并不能豎直向下擴(kuò)展貫穿巷道頂板。但是，高壓水在貫穿處于低位的砂巖層后，巷道斷面是相對(duì)弱面，并且在低位巖層與巷道頂板之間的巖層厚度為10.6m，主要以泥巖和煤為主，因而水壓裂縫能將其貫穿。

從施工效果來(lái)看，水壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較好反映了裂縫在頂板不同巖性的巖層中擴(kuò)展的過(guò)程。相鄰孔的出水情況反映了高壓水成功在目標(biāo)巖層中形成了裂縫，目標(biāo)砂巖頂板關(guān)鍵層得到了有效的弱化，切頂效果良好。

4.2 大巷變形情況

在工作面架間和軌道巷水力壓裂頂板后，在北二11-2盤區(qū)底板軌道巷、北二11-2盤區(qū)底板運(yùn)輸巷各設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)巷道變形情況(測(cè)點(diǎn)A、B、C、7、8、9)；監(jiān)測(cè)頻率為每周觀測(cè)一次，共持續(xù)觀測(cè)122d。

致裂后1312(1)工作面處大巷的變形監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示，由圖5可知，大巷變形整體較小，并逐漸趨于穩(wěn)定；其中頂板淺點(diǎn)離層最大變化30mm，頂板深點(diǎn)離層最大變化20mm。兩幫移近量最大變化140mm，頂?shù)装逑鄬?duì)移近量最大變化230mm。越靠近巷道施工區(qū)域的巷道變形越小。根據(jù)巷道變形的監(jiān)測(cè)結(jié)果，水力壓裂試驗(yàn)段的大巷在本工作面開(kāi)采期間以及開(kāi)采后的變形量都很小，巷道圍巖變形得到有效控制。這表明通過(guò)水力壓裂精準(zhǔn)切斷兩層關(guān)鍵巖層后，成功的將上覆關(guān)鍵巖層的應(yīng)力傳遞路徑切斷，使大巷圍巖的支承壓力降低，有效減少了巷道變形。

圖5 致裂后1312(1)工作面處大巷的變形監(jiān)測(cè)

4.3 其他間接效果

水力壓裂作業(yè)可以與其他作業(yè)同時(shí)進(jìn)行，提高了工作面工作效率。相同的裝備能夠重復(fù)多次使用，施工損耗小。施工過(guò)程采用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋施工過(guò)程和調(diào)整施工參數(shù)，避免了施工的盲目性、增加了施工的安全性，切頂效果好；壓裂過(guò)程可以人為控制，效率高。致裂精準(zhǔn)、過(guò)程可控的水力壓裂有效促進(jìn)了礦井安全生產(chǎn)。

在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，水力壓裂切頂后，鉆孔注高壓水的位置頂板裂隙較大，工作面來(lái)壓步距和懸頂面積更小。在工作面收作期間，采空區(qū)頂板與煤壁鉸接程度較低，來(lái)壓步距變短，傳遞到工作面支架的載荷壓力較小。水力壓裂對(duì)工作面頂板的弱化作用有助于防止收作期間由于長(zhǎng)時(shí)間不拉移支架而出現(xiàn)壓架事故。

致裂后斜巷變形量如圖6所示，在1312(1)工作面拆除期間兩巷變形很小，在不需要臥底的情況下巷道高度就能保證設(shè)備回撤，節(jié)省了大量的臥底人工，縮短了拆除工期。1312(1)軌道提料斜巷和1312(1)運(yùn)輸提料斜巷在水力致裂施工后的變形也整體較小，頂?shù)装遄畲笙鄬?duì)移近量為260mm，有利于后期的巷道維護(hù)和保留，服務(wù)其他工作面。

圖6 致裂后斜巷變形量

5 結(jié) 論

1)水壓致裂時(shí)的水壓力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映了裂縫貫穿目標(biāo)砂巖層，并在其他巖層中擴(kuò)展的兩個(gè)階段?，F(xiàn)場(chǎng)施工現(xiàn)象反映了裂縫的單孔擴(kuò)展范圍至少20m。在水壓力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的協(xié)助下，水力致裂切頂作業(yè)更精準(zhǔn)安全，施工量小，避免了施工的盲目性。

2)試驗(yàn)段盤區(qū)大巷的巷道頂?shù)装?、兩幫絕對(duì)變形量小于230mm，且逐漸趨于平穩(wěn)，圍巖變形得到有效控制。通過(guò)對(duì)頂板中多層堅(jiān)硬關(guān)鍵巖層的精準(zhǔn)致裂，有效保證了切頂卸壓的有效性，水壓致裂后周圍的巷道變形得到有效控制。

3)基于水力裂縫穿層規(guī)律和水力裂縫擴(kuò)展理論，在具有多層堅(jiān)硬關(guān)鍵層的煤礦巷道頂板中進(jìn)行精準(zhǔn)可控的分層精準(zhǔn)壓裂在工程上是可行的，能夠有效轉(zhuǎn)移大巷應(yīng)力，控制大巷變形。相較于其他壓裂工藝及技術(shù)，本試驗(yàn)可為具有相似問(wèn)題的礦井提供技術(shù)參考。