霍爾辛赫礦井沿空留巷水力壓裂切頂卸壓技術(shù)研究應(yīng)用

郭壹貴

(山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046600)

為了提高礦井煤炭資源的回采，無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)被廣泛采用，而無(wú)煤柱開(kāi)采的關(guān)鍵在于沿空留巷[1]。而沿空巷道壓力大，給支護(hù)帶來(lái)很大的困難，若支護(hù)不符合要求，斷面難以滿足通風(fēng)需要，且復(fù)用維修工程量大，導(dǎo)致留巷無(wú)法滿足復(fù)用要求[2-3]，極大地增加了礦井的生產(chǎn)成本，導(dǎo)致礦井采掘接續(xù)緊張，尤其是當(dāng)頂板中的巖層在工作面回采后不及時(shí)垮落，該部分的荷載將一直作用在煤柱和巷幫充填體上，最終使得巷道變形量增大[3-4]。

沿空留巷水力切頂卸壓工藝目前在綜采工作面已被廣泛運(yùn)用。霍爾辛赫煤礦為高瓦斯礦井，回采工作面通常采用“兩進(jìn)一回”或“三進(jìn)一回”等多巷布置方式。為了減少巷道掘進(jìn)率，往往將其中一條或者兩條回采巷道保留下來(lái)作為下個(gè)工作面進(jìn)風(fēng)巷道[5-6]。目前，霍爾辛赫煤礦采用柔模混凝土沿空留巷實(shí)現(xiàn)“兩進(jìn)一回”通風(fēng)方式，滿足了工作面回采的需要，但沿空留巷巷道變形量大，且以底鼓為主，底鼓量普遍超過(guò)1 m，局部達(dá)到2 m以上，沿空留巷巷道變形嚴(yán)重。

1 工程概況

3802工作面位于井田八盤(pán)區(qū)中部，主采3號(hào)煤層，工作面走向長(zhǎng)度為1 232 m，傾向長(zhǎng)度為245 m，工作面平均煤厚為5.8 m。工作面對(duì)應(yīng)的地面標(biāo)高為937～940 m，煤層底板標(biāo)高為405～431 m，煤層埋藏深度507～533 m，工作面采用“兩進(jìn)一回”Y型通風(fēng)方式，其煤層頂板以細(xì)粒砂巖為主，具體頂?shù)装鍘r層綜合柱狀圖見(jiàn)圖1。3802工作面采用柔?；炷良夹g(shù)進(jìn)行沿空留巷，具體施工地點(diǎn)為3802進(jìn)風(fēng)巷道，后期作為3803工作面進(jìn)風(fēng)巷使用。該巷道為矩形斷面，巷寬6 000 mm、凈高3 500 mm，留巷在巷內(nèi)沿回采側(cè)澆筑高3.5 m、厚1.5 m、強(qiáng)度C40的柔?；炷翂w，留巷寬度4 500 mm。

圖1 頂?shù)装鍘r層綜合柱狀圖

2 實(shí)施工藝

2.1 水力壓裂設(shè)計(jì)

超前回采工作面進(jìn)行水力壓裂切頂卸壓，消除懸頂現(xiàn)象，降低沿空巷道頂板懸臂梁上覆荷載以及旋轉(zhuǎn)變形壓力，從而大大減小巖梁傳遞到巷旁和巷內(nèi)支護(hù)的荷載，從根本上改善巷道的力學(xué)環(huán)境。沿空留巷懸頂見(jiàn)圖2，沿空留巷水力壓裂切頂卸壓效果見(jiàn)圖3。

圖2 沿空留巷懸頂

圖3 水力壓裂切頂卸壓效果

2.2 鉆孔布置及參數(shù)

施工起點(diǎn)為回采推進(jìn)方向800 m處，終點(diǎn)為回采推進(jìn)方向1 200 m處，總長(zhǎng)度400 m，鉆孔沿3802進(jìn)風(fēng)巷布置，開(kāi)孔在距回采幫1.8 m頂板處，鉆孔仰角45°，鉆孔水平投影與巷道夾角為30°，施工長(zhǎng)度42 m，鉆孔間距15 m，孔徑63 mm，封孔長(zhǎng)度12 m，每隔3 m壓裂1次，單孔壓裂10次，壓裂鉆孔布置及參數(shù)如圖4所示。封孔器封孔成功后即開(kāi)始?jí)毫?，待隔壁鉆孔大量出水時(shí)停止壓裂，單次壓裂時(shí)間不低于20 min，壓裂期間孔內(nèi)水壓為18～25 MPa，水力壓裂施工采用煤層注水泵，型號(hào)：3ZSE-158/18，功率90 kW，泵壓最高可達(dá)到50 MPa，滿足壓裂所需水壓。

圖4 水力壓裂鉆孔布置及參數(shù)(m)

2.3 施工工藝

壓裂安裝準(zhǔn)備—施工壓裂孔—壓裂鉆孔封孔—水力壓注—鉆孔保水—壓裂效果考察—考察壓裂范圍(通過(guò)隔壁鉆孔含水量變化)—收集相關(guān)數(shù)據(jù)—總結(jié)分析。

水力壓裂技術(shù)工藝過(guò)程如圖5所示：①采用橫向切槽的特殊鉆頭，預(yù)制橫向切槽，見(jiàn)圖5(a)，頂板不堅(jiān)硬無(wú)需實(shí)施開(kāi)槽作業(yè)；②利用高壓泵調(diào)壓為封孔器加壓使膠筒膨脹，達(dá)到封孔目的見(jiàn)圖5(b)，封孔器封孔壓力為12～15 MPa，保證連接處密封完好；③連接高壓泵實(shí)施壓裂見(jiàn)圖5(c)，試壓時(shí)加壓到2～5 MPa檢查密封情況。

圖5 水力壓裂技術(shù)示意

2.4 施工過(guò)程

1) 壓裂鉆孔封孔。連接注水鋼管將封孔器推送至預(yù)定位置(預(yù)裂縫處)進(jìn)行封孔，高壓泵調(diào)壓加壓封孔器，待壓力達(dá)到10 MPa后停止加壓，觀察鉆孔并監(jiān)測(cè)壓力表，檢驗(yàn)封孔器能否保壓，若鉆孔中有水流出或壓力下降明顯，說(shuō)明封孔失效，檢查封孔器各個(gè)連接處及封孔器本身，找出并解決問(wèn)題，確保封孔器正常工作。

2) 高壓水力壓裂。開(kāi)啟水壓儀，給高壓水泵先通水再通電，然后慢慢加壓，同時(shí)記錄水泵壓力表、流量計(jì)數(shù)據(jù)，繼續(xù)加壓直至預(yù)裂縫開(kāi)裂，這時(shí)壓力會(huì)突然下降，保壓注水使裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，保壓注水壓裂時(shí)間根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)壓裂情況確定，壓裂時(shí)間一般不少于20 min，沿與裂紋方向形成橫向裂紋。若巷道頂板，煤幫或鉆孔中有水滲出或冒出時(shí)，立即停止壓裂。

3) 卸壓。壓裂結(jié)束后，高壓水泵先斷電再停水，封孔器泄壓，待鉆孔中卸壓完全、穩(wěn)定后，將封孔器退出鉆孔。

3 效果分析

水力壓裂切頂卸壓工程從10月10日開(kāi)始施工，每天早班安排3名專業(yè)工人進(jìn)行壓裂，截止到11月4日共壓裂21個(gè)鉆孔，壓裂長(zhǎng)度約450 m。圖6為3802進(jìn)風(fēng)巷水力壓裂地段和非水力壓裂地段布置巷道礦壓監(jiān)測(cè)測(cè)站，主要監(jiān)測(cè)巷道兩幫及頂?shù)装逑鄬?duì)位移量，位移量通過(guò)布設(shè)十字監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定；同時(shí)對(duì)3802工作面多個(gè)液壓支架的工作阻力變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而評(píng)價(jià)水力壓裂切頂卸壓對(duì)頂板的弱化效果。

圖6 礦壓觀測(cè)測(cè)點(diǎn)布置

1) 位移監(jiān)測(cè)。由圍巖移近量變化曲線(圖7、圖8)可知：在工作面推過(guò)測(cè)點(diǎn)160 m后，非水力壓裂區(qū)段兩幫的累計(jì)變形量為300 mm，頂?shù)装宓睦塾?jì)變形量為350 mm，并且仍呈逐漸遞增狀態(tài)，圍巖移近量頂?shù)装濉蓭妥冃瘟枯^大；水力壓裂區(qū)段頂?shù)装寮皟蓭偷奈灰屏糠謩e為235 mm、190 mm。

圖7 非水力壓裂區(qū)段圍巖位移

圖8 水力壓裂區(qū)段圍巖位移

根據(jù)工作面采線位置與測(cè)點(diǎn)間距離的相對(duì)關(guān)系，水力壓裂切頂卸壓后巷道變形劃分為兩個(gè)階段：在滯后工作面 5～75 m 的位置時(shí)，水力壓裂區(qū)段巷道頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃尉^大，移近速率分別為 2.5 mm/m、1.9 mm/m；在滯后工作面 75～130 m 的位置時(shí)巷道變形速率逐漸減小，頂?shù)装逡平俾蕿?0.72 mm/m、兩幫移近速率為 0.82 mm/m，最終在工作面推過(guò)測(cè)點(diǎn) 150 m后變形量基本穩(wěn)定。

2) 支架工作阻力選取工作面兩端部前后10架液壓支架，對(duì)3802工作面液壓支架的工作阻力變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

由圖9可知，工作面機(jī)尾兩架支架的工作阻力相對(duì)較小，說(shuō)明頂板巖層經(jīng)過(guò)水力壓裂弱化后，在頂板形成大量裂隙，削弱了頂板的強(qiáng)度和完整性，頂板能夠及時(shí)垮落，周期來(lái)壓時(shí)，對(duì)支架產(chǎn)生的壓力較小，因此支架工作阻力較小，水力壓裂技術(shù)對(duì)頂板的控制作用很明顯。壓裂后，支架工作面端頭支架工作阻力得到明顯改善，水力壓裂可使頂板及時(shí)垮落，減小頂板來(lái)壓對(duì)工作面支架的沖擊。

圖9 3802工作面支架壓力柱形圖

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 水力壓裂利用高壓水在頂板中產(chǎn)生裂隙并使其擴(kuò)展，形成弱面，破壞圍巖結(jié)構(gòu)的完整性，縮短頂板懸臂梁的長(zhǎng)度，及時(shí)使頂板形成“短懸臂梁”結(jié)構(gòu)，切斷頂板的應(yīng)力傳遞路徑，降低“長(zhǎng)懸臂梁”頂板結(jié)構(gòu)對(duì)巷幫、巷旁的沖擊載荷。

2) 通過(guò)3802工作面沿空留巷水力壓裂切頂卸壓技術(shù)的研究應(yīng)用，巷道兩幫移近量降低36%，頂?shù)装逡平拷档?2%，有效控制了沿空巷道的穩(wěn)定性，為后續(xù)巷道復(fù)用創(chuàng)造了良好條件，提高了無(wú)煤柱開(kāi)采的成功率。

3) 水力壓裂技術(shù)在施工速度、安全性、經(jīng)濟(jì)環(huán)保性上具有明顯優(yōu)勢(shì)。