淺埋深動壓回采巷道水力壓裂技術(shù)研究與應(yīng)用

張 宏，程利興，陳小繩，徐寶軍，汪占領(lǐng)

(1.陜煤集團(tuán)神木紅柳林礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719300；2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

0 引 言

煤炭作為主要能源在我國國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，為了提高煤炭資源回收率，回采巷道采用窄煤柱護(hù)巷具有較為廣泛的應(yīng)用前景[1-3]。在受采動影響時窄煤柱巷道礦壓顯現(xiàn)比較強(qiáng)烈，煤柱內(nèi)部裂隙發(fā)育，穩(wěn)定性降低，易引起巷道圍巖的非均勻大變形[4-5]。陜北礦區(qū)煤層賦存條件簡單，開采強(qiáng)度大，回采巷道要經(jīng)歷多次采動影響以及側(cè)向動壓影響，頂板巖層以堅硬厚砂巖為主，工作面頂板垮落后易在煤柱側(cè)形成懸頂結(jié)構(gòu)，增大了側(cè)向支承壓力[6-8]。針對窄煤柱以及復(fù)雜地質(zhì)條件下的動壓巷道變形控制問題，采用常規(guī)支護(hù)技術(shù)難以達(dá)到理想的控制效果，為此我國學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作，主要的圍巖控制技術(shù)理念是在提高巷道支護(hù)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上進(jìn)行卸壓，壓力是產(chǎn)生巷道變形的動力之源，通過卸壓技術(shù)消除或減弱頂板巖層的力源[9-12]，從而降低回采巷道的動壓影響，目前水力壓裂作為一種卸壓技術(shù)手段，在煤礦巷道圍巖控制技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。吳擁政等[13]采用理論分析指出，定向水力壓裂可以消除或減弱堅硬頂板形成的懸頂效應(yīng)，通過現(xiàn)場應(yīng)用取得了較好的卸壓效果；康紅普等[14]闡述了水力壓裂卸壓技術(shù)原理，并通過現(xiàn)場水力壓裂工程應(yīng)用驗證了卸壓效果；劉長友等[9]基于理論分析以及數(shù)值模擬等方法提出了水力壓裂煤巖體劣化弱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力轉(zhuǎn)移理論框架，給出了基于水力壓裂的煤巖裂化控制參數(shù)的確定方法。水力壓裂卸壓技術(shù)在工作面切眼頂板弱化[15]以及工作面頂板災(zāi)害防治[16]等方面均有廣泛應(yīng)用，技術(shù)效益與經(jīng)濟(jì)效益顯著。因此，針對水力壓裂卸壓技術(shù)的研究與應(yīng)用已逐漸形成較為完善的技術(shù)體系。本文以陜北礦區(qū)紅柳林煤礦窄煤柱回采巷道為研究背景，開展井下水力壓裂卸壓技術(shù)試驗，分析堅硬頂板條件下窄煤柱回采巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及卸壓效果。

1 工程概況

1.1 礦井概況

紅柳林煤礦位于陜西省神木市境內(nèi)，地處黃土高原北部，礦井資源儲量19.54億t，可采儲量14.03億t，核定生產(chǎn)能力1 800萬t/a。 目前主要回采4-2煤層與5-2煤層，4-2煤層平均厚度2.97 m，5-2煤層平均厚度6.78 m，煤層分布區(qū)內(nèi)層位穩(wěn)定，厚度相對變化小。

15217工作面東側(cè)為15216工作面，西側(cè)為實體煤，北側(cè)為5-2煤層南輔運大巷，南側(cè)為小煤礦攔截巷，煤層上部存在少量4-2煤層剝蝕、火燒后的邊角殘煤和4-4煤層，上覆煤層無采空區(qū)。圖1為15217工作面平面布置圖。由圖1可知，工作面寬度348 m，工作面長度為2 412 m。 回風(fēng)巷與15216工作面采空區(qū)之間煤柱寬度為19 m，膠運巷與輔運巷間凈煤柱尺寸為8.5 m，輔運巷在15218工作面繼續(xù)復(fù)用，巷道要經(jīng)歷兩次動壓影響，并且所有巷均沿5-2煤層底板掘進(jìn)。工作面埋深為78～138 m，上覆巖層厚度為67～91 m。

圖1 15217工作面平面布置圖Fig.1 Layout plan of 15217 working face

1.2 巷道頂板巖層分布特征

礦區(qū)構(gòu)造簡單，地層傾角不足1°的單斜構(gòu)造；井田煤層含水層為頂板砂巖裂隙水，地表無大的水體。5-2煤層頂板巖性以細(xì)粒砂巖為主，局部為粉砂巖、中粒砂巖，偶見薄層泥巖、炭質(zhì)泥巖偽頂，厚度為1.6～32.0 m，巖體完整性好，煤層底板為粉砂巖、細(xì)粒砂巖，穩(wěn)定性較好。15217工作面頂板巖層以堅硬砂巖層為主，頂板砂巖強(qiáng)度高，原位強(qiáng)度測試表明砂巖強(qiáng)度為50～70 MPa，頂板裂隙不發(fā)育，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好。 巖層厚度變化大，直接頂以細(xì)粒砂巖為主，基本頂以粉砂巖為主，最大單層砂巖厚度達(dá)25 m左右，堅硬巨厚砂巖易導(dǎo)致臨空巷道受側(cè)向懸頂作用，增大了側(cè)向懸頂附加應(yīng)力作用，成為影響煤柱及巷道圍巖穩(wěn)定性的主要應(yīng)力源。

紅柳林煤礦已采工作面回采巷道護(hù)巷煤柱寬度一般為19 m左右，15217工作面膠輔運巷煤柱寬度為8.5 m，受二次動壓影響的輔運巷變形量出現(xiàn)明顯增大的情況，若不采取窄煤柱雙巷圍巖變形控制技術(shù)，將導(dǎo)致回采巷道出現(xiàn)煤柱穩(wěn)定性變差、巷道圍巖變形突出以及煤柱塑性區(qū)發(fā)育等強(qiáng)礦壓現(xiàn)象，因此，在15217工作面回采巷道開展水力壓裂卸壓試驗，緩解由于回采造成的側(cè)向支承壓力升高的影響。

1.3 巷道支護(hù)情況

紅柳林煤礦15217工作面輔運巷頂板和煤柱幫采用直徑22 mm、長2.4 m的500號左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，實體煤幫采用直徑25 mm、長2.4 m的玻璃鋼錨桿，頂板錨桿間排距為1 060 mm×900 mm、兩幫錨桿間排距為1 000 mm×900 mm， 頂板中部4根錨桿采用W鋼帶連接，靠近兩幫的2根錨桿及煤柱幫錨桿采用W鋼護(hù)板，頂板和煤柱幫網(wǎng)片采用Φ6.0 mm的鋼筋網(wǎng)，實體煤幫采用聚酯纖維柔性網(wǎng)。頂板每排布置3根錨索，頂板錨索規(guī)格為Φ17.8 mm×7 300 mm，錨索間排距為1 800 mm×1 800 mm，螺紋鋼錨桿預(yù)緊扭矩不低于400 N·m，玻璃鋼錨桿扭矩100 N·m。 錨索張拉預(yù)緊力180～200 kN。

2 水力壓裂參數(shù)確定和方案設(shè)計

2.1 水力壓裂卸壓技術(shù)原理

針對紅柳林煤礦15217工作面窄煤柱頂板巖層分布特征，頂板巖層以堅硬厚砂巖層為主，局部區(qū)域出現(xiàn)巨厚砂巖，巖層強(qiáng)度高、完整性好，15217工作面回采后，其輔運巷需留作15218工作面回風(fēng)巷使用，留巷復(fù)用期間15217工作面輔運巷煤柱側(cè)向采空區(qū)內(nèi)將形成大尺度懸頂結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生側(cè)向支承壓力作用于煤柱，窄煤柱在15217工作面超前支承壓力、滯后工作面的側(cè)向支承壓力以及15218工作面超前支承壓力的作用下，煤柱側(cè)向懸頂活動加劇，其結(jié)構(gòu)與運動狀態(tài)的改變對窄煤柱及輔運巷產(chǎn)生強(qiáng)烈的動壓影響。因此，通過采用水力壓裂卸壓技術(shù)，在15217工作面回采前進(jìn)行頂板預(yù)裂，通過水力裂縫的擴(kuò)展，削弱頂板巖層結(jié)構(gòu)與完整性，在采動影響下，進(jìn)一步激活裂縫擴(kuò)展，通過裂縫的交匯與貫通，降低采空區(qū)側(cè)向懸頂尺度，阻斷側(cè)向支承壓力向回采巷道圍巖的傳遞。

2.2 頂板水力壓裂參數(shù)確定

頂板巖層壓裂高度是水力壓裂參數(shù)設(shè)計的重要參數(shù)，影響壓裂高度的主要因素有采高、頂板堅硬巖層厚度、巖性、強(qiáng)度以及完整性等。

工作面回采后采空對頂板巖層的影響高度最大一般按照5倍采高計算，以工作面回采高度6 m計算，5倍采高為30 m，根據(jù)15217工作面BK4-1鉆孔數(shù)據(jù)顯示，煤層頂板上方35.4 m范圍內(nèi)存在一層厚度25.6 m的粉砂巖，且直接頂為9.8 m厚的細(xì)砂巖層，該類巨厚砂巖層對巷道的動壓影響較為強(qiáng)烈。根據(jù)紅柳林煤礦巷道圍巖原位強(qiáng)度測試分析，頂板砂巖平均抗壓強(qiáng)度為55 MPa左右，屬于堅硬程度與完整性較高的巖層。

依據(jù)以上分析，本次試驗重點處理厚度較大、強(qiáng)度較高、完整性較強(qiáng)的粉砂巖與細(xì)粒砂巖，根據(jù)其賦存高度，初步確定頂板壓裂垂直高度為35 m。

2.3 頂板水力壓裂方案設(shè)計與應(yīng)用

為降低15217工作面輔運巷礦壓顯現(xiàn)，在15217工作面切眼向外400 m巷道內(nèi)開展水力壓裂卸壓試驗，共設(shè)計80個壓裂孔。水力壓裂平面方案設(shè)計如圖2所示。

圖2 卸壓鉆孔布置圖Fig.2 Layout of pressure-released holes

為保證水力壓裂卸壓效果，采用雙排孔布置，鉆孔壓裂高度35 m，L鉆孔長度50 m，壓裂鉆孔仰角均為45°，與巷道軸向夾角45°，鉆孔間距10 m；S鉆孔長度50 m，壓裂鉆孔仰角均為45°，與巷道軸向夾角5°，開口位置距離煤柱幫1 m，鉆孔間距10 m，兩類鉆孔錯距5 m布置。

現(xiàn)場依據(jù)方案設(shè)計，在2022年5月底完成了井下的現(xiàn)場施工。超前預(yù)裂時，從壓裂鉆孔底部進(jìn)行后退式壓裂，3 m壓裂一次，為保證巷道支護(hù)范圍內(nèi)圍巖不受破壞，距離壓裂孔口10 m范圍內(nèi)不進(jìn)行壓裂，依據(jù)頂板壓裂鉆孔以錨桿(索)鉆孔出水情況，確定每次壓裂時間不低于30 min，完成壓裂的鉆孔可作為下一壓裂鉆孔的觀測孔。

3 巷道圍巖礦壓顯現(xiàn)特征分析

3.1 礦壓監(jiān)測方案

在15217工作面輔運巷內(nèi)布置礦壓監(jiān)測站，每個測站分別在巷道兩幫以及頂板各安裝2個錨桿測力計，在輔運巷窄煤柱內(nèi)安裝5個鉆孔應(yīng)力計，安裝深度分別為2 m、3 m、4 m、5 m、6 m。為分析水力壓裂卸壓效果，研究采空區(qū)懸頂產(chǎn)生的側(cè)向支承壓力作用，選取15217工作面輔運巷2 360 m、2 120 m附近測站數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別命名為測站1和測站2，分析超前以及滯后工作面階段采動應(yīng)力演化規(guī)律以及巷道變形情況，檢驗窄煤柱回采巷道水力壓裂卸壓效果。

3.2 錨桿受力分析

圖3展示了15217工作面輔運巷錨桿受力情況。由圖3(a)可知，測站1在滯后工作面距離小于200 m時，錨桿受力較為穩(wěn)定，在滯后工作面219.5 m、256.3 m和327.0 m時，受煤柱側(cè)向采空區(qū)頂板破斷、翻轉(zhuǎn)影響，頂板錨桿DG1以及煤柱錨桿BG1和煤柱錨桿BG2受力出現(xiàn)顯著波動變化；頂板錨桿DG1最大增幅9 kN，雖然呈波動變化，但整體呈逐漸增長趨勢，煤柱錨桿BG2受力整體呈波動型減小趨勢。監(jiān)測期間錨桿最大受力68.5 kN，錨桿受力值及變化量均較小，礦壓顯現(xiàn)不強(qiáng)烈，表明15217工作面窄煤柱頂板水力壓裂有效減小了巷道錨桿受力，有利于控制窄煤柱回采巷道圍巖變形。 由圖3(b)可知，測站2錨桿受力整體呈現(xiàn)逐漸增長趨勢，尤其是煤柱幫錨桿以及實體煤幫錨桿受力增長趨勢最為顯著，頂板錨桿受力相對較為穩(wěn)定。在超前工作面109.8 m和75.8 m時，煤柱錨桿BG1與煤柱錨桿BG2以及實體煤錨桿SG1受力出現(xiàn)明顯波動，表明超前影響階段兩幫錨桿受力變化較顯著；在滯后工作面112.8 m時煤柱錨桿最大受力分別達(dá)到88.7 kN、82.1 kN，隨后煤柱錨桿受力呈逐漸減小趨勢。滯后影響階段受15217工作面采空區(qū)頂板破斷、垮落等影響，巷幫與頂板錨桿受力變化較小，表明采用水力壓裂后，巷道圍巖所受垂直應(yīng)力影響明顯減小。

圖3 15217工作面輔運巷錨桿受力曲線Fig.3 Stress curves of anchor bolt for auxiliary haulage roadway of 15217 working face

綜合錨桿受力分析可知，頂板水力壓裂后，超前采動影響范圍明顯減小，礦壓顯現(xiàn)程度弱；滯后工作面階段側(cè)向支承壓力減弱，采空區(qū)側(cè)向懸頂出現(xiàn)了不同程度的結(jié)構(gòu)性調(diào)整過程，隨后處于穩(wěn)定狀態(tài)，錨桿受力整體變化較小，卸壓效果顯著。

3.3 煤柱垂直應(yīng)力演化規(guī)律分析

圖4展示了15217工作面輔運巷煤柱應(yīng)力變化情況。由圖4(a)可知，煤柱垂直應(yīng)力主要分布在3～5 m范圍內(nèi)，滯后工作面階段，頂板水力壓裂后煤柱側(cè)采空區(qū)頂板垮落較為充分，側(cè)向支承壓力向輔運巷方向轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致煤柱3 m基點處應(yīng)力顯著增大。在滯后工作面5.6～26.4 m范圍內(nèi)，煤柱3～5 m范圍內(nèi)應(yīng)力迅速增大，表明此時采空區(qū)直接頂發(fā)生破斷、垮落，頂板巖層的翻轉(zhuǎn)、鉸接增大了煤柱應(yīng)力狀態(tài)。 滯后工作面189.5 m、243.6 m和343.1 m范圍內(nèi)，頂板不同層位巖層發(fā)生了破斷、垮落，造成煤柱應(yīng)力出現(xiàn)不同幅度的變化波動，其中，3 m基點處應(yīng)力變化最為突出，最大受力達(dá)到16.1 MPa，煤柱中心區(qū)域4 m處最大應(yīng)力11.1 MPa，且應(yīng)力變化相對穩(wěn)定。表明水力壓裂促使側(cè)向支承壓力向?qū)嶓w煤方向轉(zhuǎn)移，增大了輔運巷淺部區(qū)域煤柱應(yīng)力。由圖4(b)可知，測站2煤柱應(yīng)力主要集中在5～6 m范圍內(nèi)，在超前218.4 m、154.3 m處應(yīng)力即開始顯著增大，尤其是6 m基點應(yīng)力變化最為突出。 當(dāng)工作面通過測站位置時，煤柱應(yīng)力均呈現(xiàn)不同幅度的增長趨勢，尤其以5 m和6 m基點增長幅度最為顯著，在滯后工作面50.4 m時，其峰值應(yīng)力分別為13 MPa和13.5 MPa，隨后均出現(xiàn)劇烈衰減，表明該階段內(nèi)上覆中低位巖層發(fā)生了彎曲、破斷；在滯后工作面130 m左右時，6 m處基點垂直應(yīng)力即達(dá)到15 MPa，隨后煤柱垂直應(yīng)力變化幅度減小，并基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 15217工作面輔運巷煤柱應(yīng)力變化曲線Fig.4 Stress change curves of coal pillar for auxiliary haulage roadway of 15217 working face

綜合煤柱應(yīng)力數(shù)據(jù)分析可知，煤柱應(yīng)力變化具有顯著的階段性、差異性變化特征，煤柱應(yīng)力主要集中在3～6 m范圍內(nèi)，超前影響階段煤柱應(yīng)力達(dá)到6～9 MPa，在滯后工作面階段煤柱6 m處應(yīng)力顯著增大，主要受三角區(qū)局部應(yīng)力集中所致，而淺部應(yīng)力增大表明水力壓裂后煤柱側(cè)向懸頂結(jié)構(gòu)尺度得到減弱，頂板巖層應(yīng)力逐漸向?qū)嶓w煤方向轉(zhuǎn)移，造成煤柱淺部區(qū)域應(yīng)力增大。

3.4 巷道圍巖變形控制效果

15217工作面回采后，輔運巷圍巖未發(fā)生明顯變形，主運巷超前階段僅在局部區(qū)域的肩窩出現(xiàn)內(nèi)擠變形，對工作面正?；夭蔁o任何影響；輔運巷超前階段基本無變形，滯后工作面階段巷道逐漸出現(xiàn)變形，但多為煤柱肩窩內(nèi)擠，金屬網(wǎng)彎折以及小尺度片幫掉塊等。巷道頂板離層數(shù)據(jù)顯示，頂板淺部離層量最大值3.0 mm，深部離層最大值4.5 mm，巷道整體支護(hù)效果較好，對巷道的正常使用基本無影響。巷道圍巖控制效果如圖5所示。

圖5 巷道圍巖變形控制效果Fig.5 Deformation control effect of surrounding rock

4 結(jié) 論

1) 紅柳林煤礦15217工作面頂板以砂巖為主，最大單層砂巖厚度達(dá)25 m左右，砂巖強(qiáng)度50～70 MPa，頂板穩(wěn)定性好，堅硬巨厚砂巖所形成的懸頂成為影響煤柱及巷道圍巖穩(wěn)定的主要影響因素，為削弱側(cè)向支承壓力作用，制定了可行的水力壓裂卸壓技術(shù)方案，并開展井下試驗。

2) 水力壓裂后回采巷道超前采動影響范圍減小，礦壓顯現(xiàn)程度減弱；滯后工作面階段，錨桿受力及變化幅度較小，錨桿最大受力88.7 kN，煤柱淺部應(yīng)力增長突出，表明水力壓裂后煤柱側(cè)向懸頂結(jié)構(gòu)尺度減小，頂板巖層應(yīng)力逐漸向?qū)嶓w煤方向轉(zhuǎn)移。

3) 采用水力壓裂后，窄煤柱回采巷道變形小，且主要集中于煤柱側(cè)肩窩處，局部產(chǎn)生肩窩內(nèi)擠變形，對工作面的回采以及巷道的正常使用基本無影響，表明水力壓裂卸壓技術(shù)對淺埋深窄煤柱回采巷道的圍巖變形具有較好的控制效果。