寺家莊礦水力壓裂切頂卸壓技術(shù)研究

席冰冰

（華陽新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽泉 045000）

1 工程概況

陽泉煤業(yè)寺家莊煤礦為典型的高瓦斯礦井，主采的15#煤層厚度在3.5～9.4 m 之間，平均厚5.29 m，煤層傾角在1°～20°，平均5°，賦存穩(wěn)定。煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，一般含矸2～3 層。直接頂為平均厚3.10 m 的砂質(zhì)泥巖，基本頂為均厚6.80 m 的細(xì)砂巖，直接底為均厚3.08 m 的砂質(zhì)泥巖，基本底為均厚6.59 m 的粉砂巖。煤層綜合柱狀圖如圖1。

圖1 煤層綜合柱狀圖

由于15#煤層上覆頂板巖層厚度較大，且硬度較大，工作面回采后采空區(qū)頂板巖層易形成大面積懸頂，而且15#煤層所處區(qū)域地應(yīng)力較大，工作面回采期間，回采巷道在高地應(yīng)力作用下，產(chǎn)生大變形。由于寺家莊煤礦為突出礦井，提出采用水力壓裂的方法，迫使采空區(qū)頂板巖層及時(shí)垮落，同時(shí)改善回采巷道力學(xué)環(huán)境，減小巷道變形[1-2]。

2 水力壓裂切頂卸壓方案設(shè)計(jì)

2.1 水力壓裂孔參數(shù)

以15110 工作面為工程背景，根據(jù)15110 工作面煤層賦存特點(diǎn)及采煤工藝流程，在工作面回采過程中，基本頂巖層斷裂后，斷裂巖塊結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 老頂巖層斷裂巖塊結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2 所示，基本頂巖層破斷后采場(chǎng)上方形成關(guān)鍵巖塊A、B、C，其中巖塊B 的一端落在采空區(qū)，另一端落在區(qū)段保護(hù)煤柱上，其重量基本由區(qū)段煤柱承擔(dān)。在工作面回采過程中，采場(chǎng)上覆關(guān)鍵巖塊失穩(wěn)-穩(wěn)定-再失穩(wěn)-再穩(wěn)定的過程導(dǎo)致了工作面周期來壓。當(dāng)采場(chǎng)上覆關(guān)鍵巖塊B 厚度越大，長(zhǎng)度越長(zhǎng)時(shí)，對(duì)區(qū)段保護(hù)煤柱產(chǎn)生的荷載也越大，從而引起巷道大變形。水力壓裂切頂卸壓的原理就是切斷采場(chǎng)上覆關(guān)鍵巖塊B 的長(zhǎng)度，從而減小區(qū)段保護(hù)煤柱荷載，改善巷道圍巖所處力學(xué)環(huán)境，減小巷道變形量[3-4]。因此，確定關(guān)鍵巖塊B 的長(zhǎng)度是設(shè)計(jì)水力壓裂孔參數(shù)的前提條件。巖塊B 的長(zhǎng)度由式（1）計(jì)算：

式中：LB為關(guān)鍵巖塊B 的長(zhǎng)度，m；mr為關(guān)鍵巖塊厚度，m；q為巖塊B 所受上覆巖層的荷載，MPa；RT為關(guān)鍵巖塊抗拉強(qiáng)度，MPa。

將15110 工作面現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)代入上式，計(jì)算可得LB=23.86 m。因此，水力壓裂的水平長(zhǎng)度應(yīng)不小于23.86 m。

工作面回采后，采場(chǎng)上覆巖層垮落帶高度計(jì)算公式為：

式中：h為垮落帶高度，m；M為采高，m；K為頂板巖層碎脹系數(shù)，取1.33。

15110 工作面采高4.5～5.5 m，以最大采高5.5 m 計(jì)算可得h=16.67 m。

根據(jù)15110 工作面鉆孔資料顯示，15#煤層上覆16.67 m 范圍內(nèi)的巖層分別為3.10 m 的砂質(zhì)泥巖、3.91 m的粉砂巖、6.8 m的細(xì)砂巖和2.33 m的粉砂巖。采場(chǎng)上方垮落帶范圍以外，對(duì)采場(chǎng)產(chǎn)生影響的巖層依次為3.09 m 的細(xì)砂巖、4.64 m 的石灰?guī)r、1.56 m的泥巖、3.35 m 的砂質(zhì)泥巖、2.75 m 的粉砂巖和5.23 m 的細(xì)砂巖，其中最上方的細(xì)砂巖厚度大，強(qiáng)度大，且距離工作面較遠(yuǎn)，可以認(rèn)為這層細(xì)砂巖可以承擔(dān)上覆巖層的荷載而不發(fā)生破斷，因此，水力壓裂的高度應(yīng)以壓裂2.75 m 的粉砂巖為準(zhǔn)。

綜合考慮15110 工作面地質(zhì)條件及施工設(shè)備，以上述分析結(jié)果為依據(jù)，水力壓裂方案如圖3，每隔10 m 設(shè)置一個(gè)水力壓裂孔。

圖3 水力壓裂孔參數(shù)

2.2 水力壓裂工藝流程

考慮到15110 回風(fēng)巷機(jī)械設(shè)備較少，因此在15110 回風(fēng)巷選擇400 m 試驗(yàn)段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?；仫L(fēng)巷頂板巖層水力壓裂如圖4。

圖4 冒頂治理前后工作面支架工作阻力監(jiān)測(cè)值

圖4 頂板巖層水力壓裂

施工流程如下：

安置封孔器→接注水管→連接高壓水泵→對(duì)封孔器加壓→注水壓裂（注水30 min 或者相鄰水力壓裂孔有出水現(xiàn)象即可停止注水壓裂）→封孔器卸壓→對(duì)注水孔下一段進(jìn)行注水壓裂→直到注水孔壓裂段全部壓裂→循環(huán)上述過程對(duì)下一水力壓裂孔進(jìn)行注水壓裂。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)施工

在15110 回風(fēng)巷采用后退式進(jìn)行單孔壓裂，每隔2～3 m 進(jìn)行一次水力壓裂。為保證壓裂效果，可借助窺視儀窺視結(jié)果對(duì)水力壓裂的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整，單孔水力壓裂次數(shù)保持在10～13 次，在距離孔口處13 m位置停止水力壓裂。在水力壓裂過程中，如果頂板發(fā)出異常聲響或者有大面積出水現(xiàn)象，需及時(shí)停止水力壓裂作業(yè)。在水力壓裂過程中，可借助窺視儀觀察水力壓裂效果，并根據(jù)窺視結(jié)果掌握頂板巖層變化情況，及時(shí)對(duì)水力壓裂孔參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

為了解水力壓裂效果，對(duì)15110 回風(fēng)巷巷道圍巖變形及煤體應(yīng)力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。在距離開切眼200 m及300 m 位置布置兩個(gè)綜合測(cè)站，用于監(jiān)測(cè)巷道圍巖變形及煤體應(yīng)力。采用十字布點(diǎn)法對(duì)巷道圍巖變形進(jìn)行測(cè)量，在采幫側(cè)分別打3 m、6 m、9 m、12 m 深的鉆孔進(jìn)行煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線如圖5。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線

如圖5（a）和5（b），工作面回采期間，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)頂板下沉量最大值分別為52 mm 和66 mm，底鼓量最大值分別為144 mm 和72 mm，兩幫移近量最大值分別為165 mm 和175 mm?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，對(duì)頂板巖層進(jìn)行水力壓裂后，巷道圍巖變形量較小，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)的安全生產(chǎn)需求。

如圖5（c）所示，3 m 深鉆孔應(yīng)力計(jì)初始數(shù)值為7.7 MPa，在工作面回采過程中，應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)值在小范圍內(nèi)波動(dòng)，變化不大。6 m 深鉆孔應(yīng)力計(jì)初始數(shù)值為10 MPa，工作面回采過程中，應(yīng)力值基本保持穩(wěn)定，直到距離工作面62 m 范圍以內(nèi)時(shí)，應(yīng)力值開始減小，最終應(yīng)力值減小到6.2 MPa。9 m 深鉆孔應(yīng)力計(jì)初始數(shù)值為10 MPa，在工作面回采過程中，呈波動(dòng)狀緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，直到距工作面19 m位置達(dá)到最大值12.4 MPa，之后應(yīng)力值開始降低，表明此時(shí)煤體已經(jīng)處于破壞狀態(tài)。隨著工作面推進(jìn)，煤體破壞越來越大，應(yīng)力值也逐漸降低。12 m 深孔應(yīng)力計(jì)初始數(shù)值為7.6 MPa，隨著工作面的推進(jìn)緩慢增大，在距工作面16 m 位置達(dá)到最大值為9.4 MPa，之后應(yīng)力值開始降低，表明在距離工作面16 m 時(shí)，煤體開始發(fā)生破壞。如圖5（d）所示，3 m 深鉆孔應(yīng)力計(jì)初始數(shù)值為9.1 MPa，在工作面回采過程中，應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)值在小范圍內(nèi)波動(dòng)，在距離工作面20 m 時(shí)，應(yīng)力值開始降低，表明此時(shí)煤體發(fā)生破壞，超前支護(hù)范圍20 m 是合理的。6 m 深鉆孔應(yīng)力計(jì)初始數(shù)值為9.8 MPa，工作面回采過程中，應(yīng)力值基本保持穩(wěn)定，直到距離工作面26 m 時(shí)，應(yīng)力值達(dá)到最大值10.5 m，之后開始減小。9 m 深鉆孔應(yīng)力計(jì)初始數(shù)值為9.2 MPa，在工作面回采過程中，呈波動(dòng)狀緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)。12 m 深孔應(yīng)力計(jì)初始數(shù)值為10 MPa，隨著工作面的推進(jìn)緩慢增大，在距離工作面23 m 位置達(dá)到最大值12 MPa，之后應(yīng)力值開始降低，表明煤體開始發(fā)生破壞，但仍然具有一定的承載力。

4 結(jié)語

以15110 工作面為工程背景，通過理論分析、工程對(duì)比，確定15110 回風(fēng)巷頂板巖層水力壓裂深度為壓裂垂直距離工作面31.5 m 的粉砂巖為準(zhǔn)，綜合考慮鉆孔設(shè)備，水力壓裂孔與垂直方向夾角為50°。在15110 工作面選擇400 m 試驗(yàn)段，并在距離工作面100 m 和200 m 位置布置兩個(gè)測(cè)站用于監(jiān)測(cè)巷道圍巖變形量及煤體應(yīng)力變化?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：兩個(gè)測(cè)點(diǎn)頂板下沉量最大值分別為52 mm 和66 mm，底鼓量最大值分別為144 mm 和72 mm，兩幫移近量最大值分別為165 mm 和175 mm，且煤體并無明顯應(yīng)力集中區(qū)域，切頂卸壓效果良好。