厚煤層綜放工作面沿空掘巷堅硬頂板水力壓裂弱化技術(shù)研究

張慶國

(山西三元煤業(yè)股份有限公司，山西省長治市，046000)

目前，我國煤礦可采煤層中堅硬頂板煤層大約占三分之一[1-4]。厚煤層堅硬頂板具有硬度大、完整性好、分層厚度大等特征，難以及時垮落，一旦在工作面采空區(qū)的上方形成大面積的懸頂結(jié)構(gòu)，極易造成頂板大面積來壓，嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)[5-6]。針對三元煤業(yè)厚煤層堅硬頂板沿空掘巷的工程條件，采用水力壓裂弱化頂板能夠明顯改善厚煤層綜放工作面沿空掘巷巷道的應(yīng)力環(huán)境，從而提高圍巖穩(wěn)定程度，是一種行之有效的頂板控制技術(shù)。

目前，國內(nèi)外學(xué)者已對沿空巷道圍巖的穩(wěn)定性控制方法開展了大量的研究與現(xiàn)場試驗[7-12]。如戚福州[13]以高應(yīng)力沿空掘巷工程實踐為研究背景，優(yōu)化了煤柱寬度設(shè)計，并進行了預(yù)裂切頂現(xiàn)場工業(yè)性驗證；閆少宏等[14]結(jié)合理論研究成果進行了現(xiàn)場試驗，采用人工切槽注入高壓水的方法使堅硬老頂分層；康紅普等[15]通過水力壓裂機理的研究，得到水力壓裂前后鉆孔應(yīng)力的變化，并對壓裂效果進行了系統(tǒng)的評價；吳擁政[16]針對回采工作面雙巷布置中的留巷支護問題，制定了定向水力壓裂留巷卸壓方案，并且進行了后續(xù)井下試驗和礦壓監(jiān)測。但目前這些研究大部分缺乏對于水力壓裂的直觀效果的監(jiān)測。

為此，本文以山西三元煤業(yè)具體工程地質(zhì)條件為背景，分析了水力壓裂弱化堅硬頂板的力學(xué)機理，設(shè)計了具體的水力壓裂頂板弱化方案，在4302回風(fēng)巷進行了現(xiàn)場試驗[17]，并且進行了后續(xù)效果監(jiān)測。

1 工程地質(zhì)概況

根據(jù)三元煤業(yè)四采區(qū)圍巖地質(zhì)力學(xué)測試報告，4302綜放工作面頂板巖性依次為頂煤、中砂巖、細(xì)砂巖等。其中，細(xì)砂巖與中砂巖巖層段的普氏硬度系數(shù)為7～8，屬于厚層堅硬頂板，煤層頂?shù)装逯鶢顖D見圖1。

圖1 煤層頂?shù)装逯鶢顖D

當(dāng)4302綜放工作面回采后，會在側(cè)向形成跨距較大的懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力集中會使下一個工作面4306回風(fēng)巷圍巖應(yīng)力增加。為了減小4306工作面回風(fēng)巷小煤柱(寬5 m)沿空掘巷圍巖壓力，通過水力壓裂切頂方式將4306回風(fēng)巷小煤柱上方懸臂梁切落，從根本上達(dá)到控制巷道變形量的目的。

本次水力壓裂切頂工程實施地點在三元煤業(yè)4302綜放工作面回風(fēng)巷，4302工作面回風(fēng)巷頂板水力切頂范圍為0～900 m。在實際施工過程中，4302工作面停采線預(yù)計位于距離開切眼864 m(4302運輸巷側(cè))和889 m(4302回風(fēng)巷側(cè))。因此，將4302工作面頂板水力壓裂終止位置由原先距離開切眼1 090 m，調(diào)整為距離開切眼900 m。共計施工116個鉆孔，施工分3個階段進行。

2 水力壓裂弱化力學(xué)機理分析

分析4306回風(fēng)巷礦壓顯現(xiàn)的原因，主要是4302工作面回采后，煤層上方完整堅硬頂板垮落不充分，造成側(cè)向懸頂，壓力作用在小煤柱和4306回風(fēng)巷圍巖，一旦集中垮落，會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。

在4302工作面采空區(qū)側(cè)向形成的懸臂梁結(jié)構(gòu)，是巷道受側(cè)向采動影響的根本原因，因此破壞懸臂梁結(jié)構(gòu)是頂板卸壓的關(guān)鍵。當(dāng)懸臂梁結(jié)構(gòu)被切斷后，煤柱上部的懸臂結(jié)構(gòu)由“固支” 變?yōu)椤昂喼А?，煤柱?cè)的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，煤柱側(cè)的應(yīng)力向外部轉(zhuǎn)移，從而減少巷道的應(yīng)力集中，如圖2所示。

圖2 堅硬頂板側(cè)向懸頂結(jié)構(gòu)

因此，需要采用水力壓裂弱化技術(shù)對4302回風(fēng)巷的堅硬頂板進行圍巖控制，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，使懸頂能隨工作面推采及時、充分垮落，減弱超前支承壓力。

3 工程實踐

水力壓裂鉆孔的設(shè)計參數(shù)(鉆孔長度、角度、間距)根據(jù)頂板巖層結(jié)構(gòu)、巖性、采高及采煤方式綜合確定。依據(jù)三元煤業(yè)四采區(qū)圍巖地質(zhì)力學(xué)測試報告，4302綜放工作面頂板巖性依次為頂煤、中砂巖、細(xì)砂巖等，鉆孔垂深20.3 m，其中煤層段垂深3.7 m，巖層段垂深16.6 m。通過理論計算與數(shù)值模擬分析，制定了三元煤業(yè)4302回風(fēng)巷堅硬頂板水力壓裂切頂?shù)你@孔布置方案，如圖3所示。

圖3 水力壓裂鉆孔布置示意圖

在4302回風(fēng)巷向4306工作面?zhèn)让簬?，向工作面推進方向后方布置水力切頂鉆孔，共計需要布置120組鉆孔。1～20號鉆孔排距10.0 m，21～120號鉆孔排距7.0 m。自第61組鉆孔開始實施加沙壓裂，所用沙粒為石英砂，粒徑為20～40目(425～850 μm)。由于沙粒的支撐作用，水力壓裂完畢后頂板巖體裂隙可在較長時間內(nèi)保持張開的狀態(tài)，從而增強頂板巖體弱化效果。

開孔位置巷道頂角1.3 m，與頂板夾角為70°，與巷道走向的夾角為47.4°，鉆孔直徑56 mm，鉆斜孔深21.6 m，其中煤層段斜深3.9 m，巖層段斜深17.7 m。水力壓裂鉆孔空間布置方案如圖4所示。水力壓裂鉆孔工程量(長度)總計為3 348 m。

圖4 水力壓裂鉆孔空間布置方案

鉆孔壓裂采用倒退式，即從鉆孔底部開槽處向孔口依次進行壓裂，每2.2 m壓裂一次，壓裂層位為孔深11.5～21.6 m， 水力壓裂施工層位如圖5所示。施工泵壓為25～30 MPa，鉆孔采用雙封封孔器，膠囊長度1.2 m，中間壓裂段長度為0.6 m，預(yù)計可形成的水力裂縫長度為5～8 m。

圖5 水力壓裂施工層位示意圖

4 水力壓裂效果分析

為評價工作面頂板水力壓裂弱化效果，一般采用如下3種手段進行：

(1)水力壓裂過程中進行實時注水水壓、水量及注水時間監(jiān)測。

(2)水力壓裂過程中的鄰近鉆孔或錨桿錨索孔出水情況監(jiān)測。鄰近鉆孔出水說明水在巖層中已經(jīng)形成了通路。根據(jù)出水孔的位置可以大致判斷水力裂縫擴展范圍。

(3)壓裂裂隙鉆孔窺視。采用數(shù)字全景鉆孔結(jié)構(gòu)窺視儀觀測壓裂孔裂縫形態(tài)，分析鉆孔表面裂縫走向與分布特征。但是，這種方式一般只能用于宏觀裂隙監(jiān)測，而對于水力壓裂過程中可能形成的大量微觀裂隙難以監(jiān)測。

采用上述手段，通過對現(xiàn)場水力壓裂過程進行跟蹤監(jiān)測與分析，得到了如下規(guī)律與結(jié)論。同時部分監(jiān)測結(jié)果見表1。

表1 部分鉆孔監(jiān)測結(jié)果

(1)未加沙時注水壓力最大值約為30 MPa，最小值約為15 MPa，每個鉆孔每個壓裂位置的平均注水時間約為20 min，每個壓裂位置的注水量約為1 m3；加沙后注水壓力最大值約為30 MPa，最小值約為22 MPa，每個鉆孔每個壓裂位置的平均注水時間約為18 min，每個壓裂位置的注水量約為1 m3。

(2)第1～20號鉆孔間距為10.0 m，周邊鉆孔出水率較低(約30%左右)，這表明在原設(shè)計的壓裂方案和三元煤礦4302工作面頂板地質(zhì)條件下，水力裂隙大部分無法達(dá)到10.0 m以上。

因此，將后續(xù)的鉆孔間距調(diào)整為7.0 m，第21～120號鉆孔在壓裂過程中均可以在兩側(cè)的鉆孔觀察到水流，出水率達(dá)到了89.5%。這個現(xiàn)象表明水力壓裂的效果較好，在較大的空間內(nèi)產(chǎn)生了縫隙，根據(jù)鉆孔施工的間隔距離，大致預(yù)計水力壓裂所影響的范圍在7.0～10.0 m內(nèi)。

(3)水力壓裂后，部分鉆孔中致裂段可以觀察到明顯的宏觀軸向及徑向裂縫。典型鉆孔壓裂段觀測到的宏觀裂縫如圖6所示。這證明了水力壓裂參數(shù)設(shè)計較為合理。

圖6 典型鉆孔壓裂段觀測到的宏觀裂縫

(4)采用水力壓裂技術(shù)對4302回風(fēng)巷的厚層堅硬頂板進行弱化改造以后，通過水壓形成的宏觀裂隙損傷、微觀裂隙損傷、水致強度軟化等多方面的綜合作用，預(yù)計可以使得4302回風(fēng)巷的厚煤層堅硬頂板的硬度系數(shù)從7～8降低為4～5左右。當(dāng)4302工作面回采以后，側(cè)向采動應(yīng)力峰值將向煤柱深部轉(zhuǎn)移，且應(yīng)力集中程度降低，從而為4306工作面回風(fēng)巷沿空掘進(5 m煤柱)提供了良好的應(yīng)力環(huán)境。

5 結(jié)語

(1)4302工作面回風(fēng)巷頂板水力切頂范圍為0～900 m，共計施工120個鉆孔。第1～20號鉆孔間距為10.0 m，周邊鉆孔出水率較低(約30%左右)，調(diào)整鉆孔間距為7.0 m后，后續(xù)施工的第21～116號鉆孔周邊鉆孔出水率達(dá)到了89.5%，這表明絕大部分水力裂隙可以達(dá)到7.0 m以上，總體施工效果良好。

(2)自62號鉆孔以后進一步優(yōu)化施工方案，在壓裂水中加沙(支撐劑)，加沙后的第62～116號鉆孔周邊鉆孔出水率達(dá)到了100.0%，且出水均含沙。這表明水力裂隙可以達(dá)到7.0 m以上，施工效果良好。

(3)施工過程中，注水壓力最大值約為30 MPa，最小值約為15 MPa，每個鉆孔每個壓裂位置的平均注水時間約為20 min，每個壓裂位置的注水量約為1 m3；水力壓裂影響的范圍在7.0 m左右，堅硬頂板的硬度系數(shù)預(yù)計可以從7～8降低為4～5左右，為4306工作面回風(fēng)巷沿空掘進(5 m煤柱)提供了良好的應(yīng)力環(huán)境。在整個施工過程中，水力壓裂施工設(shè)計不斷完善，施工效果不斷提高，最終取得了良好的施工效果。