榆神礦區(qū)工作面穩(wěn)定難垮巖層水力預(yù)裂控制技術(shù)及應(yīng)用

閆小衛(wèi) 馮彥軍

（1.陜西煤礦安全監(jiān)察局榆林監(jiān)察分局；2.中煤科工開采研究院有限公司）

我國(guó)煤礦井下主要采用全部垮落法管理采空區(qū)頂板，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，“采煤工作面用垮落法管理頂板時(shí)，必須及時(shí)放頂。頂板不垮落、懸頂距離超過(guò)作業(yè)規(guī)程規(guī)定的，必須停止采煤，采取人工強(qiáng)制放頂或者其他措施進(jìn)行處理”。國(guó)家安全監(jiān)管總局、國(guó)家煤礦安監(jiān)局關(guān)于加強(qiáng)煤礦頂板管理工作的通知（安監(jiān)總煤行〔2008〕176號(hào)）要求，“煤礦企業(yè)要做好大面積冒頂事故的防范工作。開采堅(jiān)硬頂板的煤層，采后頂板不垮落、懸頂距離超過(guò)作業(yè)規(guī)程規(guī)定時(shí)，必須停止采煤，采取措施強(qiáng)制放頂”。

針對(duì)我國(guó)煤礦井下堅(jiān)硬及穩(wěn)定難垮巖層，目前有效的人工強(qiáng)制放頂技術(shù)是深孔爆破和水力壓裂［1］，通過(guò)預(yù)先弱化工作面頂板關(guān)鍵層位的整體穩(wěn)定性，使采空區(qū)懸頂面積和來(lái)壓步距處于合理范圍，從而保證頂板安全、有序垮落，提升礦井頂板安全風(fēng)險(xiǎn)的管控水平。

其中，深孔爆破人工強(qiáng)制放頂技術(shù)應(yīng)用較早，其操作簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng)、效果顯著［2］。但由于一次性使用炸藥量大，爆破致裂容易產(chǎn)生大量有毒氣體，威脅井下工人生命安全。近年來(lái)，隨著煤礦井下頂板巖層水力壓裂技術(shù)的發(fā)展，已逐步成為堅(jiān)硬、穩(wěn)定難垮頂板弱化的主要技術(shù)［3-5］。

礦井巖層水力壓裂涉及復(fù)雜的多物理場(chǎng)及其耦合問(wèn)題，水力裂縫的擴(kuò)展過(guò)程包括縫內(nèi)流體的三維流動(dòng)、孔隙介質(zhì)的三維力學(xué)變形、裂縫動(dòng)態(tài)向前擴(kuò)展、滲流以及孔隙壓力非線性變化以及各因素交互影響等。此外，水力裂縫的動(dòng)態(tài)延展受客觀條件（比如天然裂縫、地應(yīng)力場(chǎng)、巖石物理力學(xué)性質(zhì)、孔隙流體及壓力等）和可控因素（注液速率、壓裂液黏度、壓裂液濃度、壓裂方式）的影響。

因此，根據(jù)我國(guó)煤礦井下穩(wěn)定難垮頂板治理現(xiàn)狀，基于水力壓裂力學(xué)模型與礦井巖層壓裂治理技術(shù)工藝，通過(guò)分析榆神礦區(qū)頂板巖層特征和水力預(yù)裂弱化頂板巖層技術(shù)的適應(yīng)性，提出相應(yīng)的頂板巖層水力壓裂技術(shù)方案，有效解決榆神礦區(qū)工作面采空區(qū)穩(wěn)定難垮頂板的控制問(wèn)題，對(duì)于保證采空區(qū)頂板順利、及時(shí)垮落及安全生產(chǎn)有重要意義。

1 巖層水力壓裂理論

水力壓裂理論基于固體力學(xué)、流體力學(xué)、滲流力學(xué)及熱力學(xué)等多門學(xué)科，建立巖層在水壓作用下裂縫開裂及擴(kuò)展的力學(xué)模型與力學(xué)準(zhǔn)則。目前，水力裂縫起裂計(jì)算主要采用彈性理論和斷裂力學(xué)，水力裂縫擴(kuò)展采用數(shù)值計(jì)算方法，分析水力縫網(wǎng)的時(shí)空分布規(guī)律及其工程作用。

在水力裂縫擴(kuò)展研究方面，有學(xué)者考慮原生裂縫與水力裂縫的相互作用，研究了水力裂縫擴(kuò)展規(guī)律及影響因素［6-7］。隨著水平地應(yīng)力差增大，裂縫轉(zhuǎn)向后趨于變窄。隨著壓裂液流量和黏度增大，裂縫寬度隨之增大。水力裂縫與天然裂縫的初始逼近角為30°時(shí)，較容易沿原生裂縫轉(zhuǎn)向。水力裂縫偏離最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展容易造成裂縫寬度變窄、裂縫長(zhǎng)度和體積變小，這是由于裂縫開啟過(guò)程中需要耗散更多的能量。同時(shí)，水力裂縫擴(kuò)展對(duì)原生裂縫也會(huì)產(chǎn)生一定影響，當(dāng)水力裂縫逼近原生裂縫時(shí)，原生裂縫面的受力狀態(tài)不斷發(fā)生變化，甚至導(dǎo)致原生裂縫發(fā)生失穩(wěn)。

通常，水力裂縫的起裂壓力及其擴(kuò)展的幾何尺寸是壓裂的主要參數(shù)。對(duì)于垂直或水平鉆孔，常用的起裂壓力計(jì)算如式（1）。

其中，pb為起裂壓力，σmin為最小主應(yīng)力，σmax為最大主應(yīng)力，σT為巖石的抗拉強(qiáng)度，其單位均為MPa。

式（1）假定巖層簡(jiǎn)化為連續(xù)均質(zhì)且各向同性的材料，采用彈性理論的最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則分析巖石破裂的條件。然而巖層為孔隙介質(zhì)，在水力裂縫面與介質(zhì)內(nèi)部存在壓差時(shí)，高壓流體通過(guò)孔隙滲入其內(nèi)部，因此，考慮液體濾失影響時(shí)，Haimson和Fairhurst［6-7］通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了巖層的孔隙及孔隙流體對(duì)起裂壓力的影響，Schmitt和Zoback［8-9］給出了修正計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性更好。對(duì)于滲透性較差的巖層，起裂計(jì)算如式（2）所示，對(duì)于滲透性較好的巖層，起裂計(jì)算采用式（3）。

其中，pb為孔隙壓力，MPa；β為拉伸破壞準(zhǔn)則條件下的孔隙壓力因子，1≥β≥0；v為泊松比；α為Biot’s孔隙彈性參數(shù)，1≥α≥0，隨著巖石剛度增大，該值呈減小趨勢(shì)。

式（2）和式（3）表明，巖石孔隙和孔隙壓力降低鉆孔起裂壓力。對(duì)于傾斜鉆孔，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算起裂壓力，其變化規(guī)律如圖1所示。鉆孔和地應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)決定巖層破裂壓力。其中，θAz為鉆孔方位角，（°）；σv為垂直主應(yīng)力，MPa；σH、σh分別為最大、最小水平主應(yīng)力，MPa；θInc為鉆孔傾角，（°）。詳細(xì)的起裂壓力計(jì)算及其變化規(guī)律見(jiàn)文獻(xiàn)［10］所述。

水力裂縫的幾何尺寸決定了壓裂改造地層的效果，經(jīng)典KGD等高裂縫模型［11］認(rèn)為裂縫的高度是恒定的，見(jiàn)圖2，裂縫在鉆孔徑向平面滿足平面應(yīng)變條件，適用于縫長(zhǎng)與縫高比等于或小于1的條件。

縫內(nèi)水壓分布如式（4）所示。不考慮液體濾失，縫長(zhǎng)和縫寬的計(jì)算分別見(jiàn)式（5）和式（6）。

其中，f=x/L，f1=R/L，h為縫高，m；L為裂縫總長(zhǎng)度，m；p為縫內(nèi)水壓，MPa；pw為鉆孔內(nèi)水壓，MPa；Q為流體進(jìn)入裂縫的排量，m3/min；R為鉆孔半徑，m；W為縫寬，m；μ為流體黏度，mPa·s；t為壓裂時(shí)長(zhǎng)，min；流體為牛頓體。

PKN模型［12］和Circular裂縫模型［13］關(guān)于縫內(nèi)水壓及裂縫幾何尺寸的計(jì)算詳見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)。

地層在實(shí)際壓裂過(guò)程中，水力裂縫為三維形典型的三維水力裂縫模型見(jiàn)圖3。

由于裂縫寬度遠(yuǎn)小于縫長(zhǎng)和縫高，流體壓力及流速的變化在縫寬方向（z方向）的變化可忽略。則流體運(yùn)動(dòng)的Navier-Stokes方程如式（7），縫內(nèi)流體在x、y方向的速度場(chǎng)如式（8）所示，考慮液體濾失條件下，縫內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的控制方程如式（9）。其中，cl是濾失系數(shù)，tl（x，y）是在（x，y）位置的開始濾失時(shí)間。結(jié)合流量守恒、邊界條件、約束條件和裂縫張開型位移方程（即I型裂縫張開位移方程），采用Galerkin有限元方法等數(shù)值計(jì)算方法，可描述裂縫隨時(shí)間的擴(kuò)展過(guò)程。對(duì)均勻應(yīng)力場(chǎng)，其計(jì)算結(jié)果與二維KGD模型預(yù)測(cè)結(jié)果接近，對(duì)非均勻應(yīng)力場(chǎng)，其計(jì)算結(jié)果與PKN模型預(yù)測(cè)結(jié)果接近。

其中，cl是濾失系數(shù)；tl（x，y）是在（x，y）位置的開始濾失時(shí)間，min；其他物理量的解釋見(jiàn)前面符號(hào)。

2 典型穩(wěn)定難垮巖層特征

選擇榆神礦區(qū)具有典型穩(wěn)定難垮頂板巖層的礦井，通過(guò)井下實(shí)測(cè)的方式調(diào)查頂板巖層特性［14］，包括圍巖強(qiáng)度、圍巖結(jié)構(gòu)和地應(yīng)力場(chǎng)。

2.1 原位圍巖強(qiáng)度

原位圍巖強(qiáng)度測(cè)試采用鉆孔觸探法，基于探針載荷作用下壓碎巖體的原理。井下煤巖體強(qiáng)度測(cè)定在頂板鉆孔中進(jìn)行，具體工藝方法見(jiàn)圖4。典型測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5。圖5中擬合曲線為強(qiáng)度平均值。

測(cè)試頂板巖層深度為36 m，即從回采巷道頂板向上測(cè)試，測(cè)試點(diǎn)間隔為0.5 m。從圖5測(cè)試結(jié)果可知，頂板巖層強(qiáng)度為35.4～81.5 MPa，平均為54.6～62.3 MPa，從巷道頂板至上覆巖層，巖層強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)。分別在距離巷道頂板6、13、28.5 m區(qū)域圍巖強(qiáng)度較高。

2.2 原位圍巖結(jié)構(gòu)

采用鉆孔窺視儀進(jìn)行頂板鉆孔原位巖層結(jié)構(gòu)測(cè)試，測(cè)試方法方便、快速、成本低。井下頂板巖層結(jié)構(gòu)原位測(cè)試過(guò)程見(jiàn)圖6所示。巖層結(jié)構(gòu)測(cè)試鉆孔與圍巖強(qiáng)度測(cè)試鉆孔為同一鉆孔。

從測(cè)試結(jié)果可知，頂板巖層整體性較好，屬于穩(wěn)定巖層，局部位置有裂隙，從巖性角度判斷，以砂巖、泥巖為主，鉆孔深度小于2.4 m時(shí)，為煤或炭質(zhì)泥巖，分別在27.7～27.9 m和32.5～32.8 m區(qū)域頂板巖層有離層或天然裂隙，鉆孔其余位置較為致密、完整。

通過(guò)對(duì)比鉆孔結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果與圍巖強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，在含有天然裂隙的鉆孔范圍，巖層強(qiáng)度相對(duì)較低，2種測(cè)試方法所得結(jié)果得以相互驗(yàn)證。

采用水壓致裂法測(cè)試頂板巖層地應(yīng)力場(chǎng)，地應(yīng)力場(chǎng)是水力裂縫延伸方向的主控因素，榆神礦區(qū)典型工作面地應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)見(jiàn)表1。表中，H，σv，σH，σh，φ分別表示埋深、垂直主應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和最大水平主應(yīng)力方向。

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因此，通過(guò)圍巖強(qiáng)度和巖層結(jié)構(gòu)測(cè)試可知，榆神礦區(qū)頂板巖層的特征為強(qiáng)度屬于中等水平，巖層致密、完整屬于穩(wěn)定難垮類型，地應(yīng)力場(chǎng)類型為水平主應(yīng)力主導(dǎo)型應(yīng)力場(chǎng)。

3 頂板巖層水力預(yù)裂

巖層水力預(yù)裂技術(shù)是基于水力壓裂理論與礦井頂板巖層弱化工藝要求發(fā)展起來(lái)的［15-16］。

水力預(yù)裂技術(shù)是指在工作面回采前，通過(guò)工作面切眼或巷道向工作面上賦巖層實(shí)施壓裂作業(yè)，預(yù)先壓裂弱化頂板巖層，降低巖層的穩(wěn)定性和整體性，待其進(jìn)入采空區(qū)后可及時(shí)、逐步垮落，避免采空區(qū)形成大面積懸頂，消除一次性頂板垮落造成劇烈沖擊，保證安全回采。水力預(yù)裂工藝［15］主要包括鉆孔施工、鉆孔壓裂段開槽、封孔、壓裂等環(huán)節(jié)。

4 井下驗(yàn)證

4.1 壓裂方案

壓裂方案的確定基于地層和開采條件，根據(jù)水力壓裂理論進(jìn)行計(jì)算以及類似工程實(shí)踐，初次放頂壓裂方案設(shè)計(jì)依據(jù)包括鉆孔圍巖強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果、巖層結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果、采高、煤層厚度、頂板巖層巖性與厚度等參數(shù)綜合確定。榆神礦區(qū)為典型的穩(wěn)定巖層礦井，基于水力壓裂初次放頂特點(diǎn)，從工作面切眼位置向頂板施工鉆孔，分別向工作面推進(jìn)方向設(shè)置L和S孔，具體方案如圖7所示。

在壓裂過(guò)程中，通過(guò)監(jiān)測(cè)水壓和流量的變化、頂板錨桿、錨索、相近鉆孔的出水情況，控制壓裂作業(yè)時(shí)長(zhǎng)以及壓裂的效果。

典型壓裂壓力變化見(jiàn)圖8所示。可以看出，壓裂有明顯的起裂階段，起裂后壓力下降，并維持在一定的水平擴(kuò)展，壓裂曲線變化形態(tài)表明，壓裂過(guò)程中水力裂縫未遭遇天然裂縫，說(shuō)明巖層的天然裂隙不發(fā)育，其整體性和完整性較好。擴(kuò)展壓力約17 MPa，說(shuō)明巖層強(qiáng)度不高。通過(guò)錨索孔和鄰近鉆孔出水監(jiān)測(cè)，見(jiàn)圖9，可以判斷水力裂縫的擴(kuò)展范圍平均為15～21 m。

4.2 頂板垮落效果

頂板巖層通過(guò)單孔多次水力壓裂，穩(wěn)定難垮巖層被分為多層，待其進(jìn)入采空區(qū)后，巖層可及時(shí)分層分次逐步垮落。具體過(guò)程為，工作面推進(jìn)約10.4 m時(shí)，直接頂巖層全部垮落，起始垮落區(qū)域?yàn)楣ぷ髅嬷胁浚迓浞秶S后緩慢擴(kuò)大，直至工作面范圍內(nèi)垮落完成，其過(guò)程未出現(xiàn)颶風(fēng)與動(dòng)載沖擊。工作面推進(jìn)約34.6 m時(shí)，基本頂開始來(lái)壓，支架工作阻力開始升高，部分支架安全閥開啟，隨后保持平穩(wěn)，初次來(lái)壓期間來(lái)壓平穩(wěn)且緩和，未產(chǎn)生沖擊和影響，工作面實(shí)現(xiàn)安全初采。

4 結(jié) 論

（1）水力壓裂力學(xué)模型是礦井巖層水力預(yù)裂的理論基礎(chǔ)，作業(yè)前有必要對(duì)起裂壓力和裂縫幾何尺寸等壓裂參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

（2）榆神礦區(qū)穩(wěn)定難垮頂板巖層的特點(diǎn)為強(qiáng)度不高、整體性和完整性較好，工作面回采期間需采取強(qiáng)制放頂措施。

（3）水力預(yù)裂是安全、綠色的穩(wěn)定難垮巖層弱化技術(shù)，其技術(shù)工藝基于水力壓裂理論與礦井技術(shù)需求。

（4）壓裂壓力、壓裂出水監(jiān)測(cè)是判斷和控制壓裂作業(yè)和效果重要手段。