堅(jiān)硬頂板工作面初采深淺孔耦合三維定向水力致裂技術(shù)研究

張京民，孟 波，劉洪晨

(1.庫(kù)車市科興煤炭實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 庫(kù)車 842099；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

厚層堅(jiān)硬頂板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，通常在正常工作面回采過程中，特別是工作面初采階段難以自行垮落[1]。若不及時(shí)進(jìn)行人為干預(yù)，頂板懸板面積過大突然垮落，容易形成沖擊地壓，直接造成人員傷亡及采煤機(jī)具損毀事故，甚至形成采空區(qū)颶風(fēng)，誘發(fā)煤塵、瓦斯爆炸等次生災(zāi)害[2，3]。目前通常采用炸藥爆破、CO2相變致裂以及水力致裂等手段對(duì)厚層堅(jiān)硬頂板進(jìn)行切割弱化，降低其結(jié)構(gòu)完整性，從而解決大面積懸頂問題[4-7]。傳統(tǒng)堅(jiān)硬頂板工作面水力致裂切頂技術(shù)的原理是通過工作面頂板鉆孔注入高壓水，使孔壁巖石破壞產(chǎn)生裂縫并擴(kuò)展，達(dá)到分層弱化或切斷厚層堅(jiān)硬頂板，從而改變煤層及頂板冒放性的目的[8-11]。由于水力致裂是連續(xù)對(duì)煤巖體做功過程，相比于炸藥爆破和CO2相變致裂等單個(gè)鉆孔非定向破巖方法，具有裂縫長(zhǎng)度更長(zhǎng)、控制范圍更大的優(yōu)點(diǎn)[12，13]。而由于受地應(yīng)力場(chǎng)、煤巖層結(jié)構(gòu)、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、壓裂時(shí)間及泵排量等因素的影響，傳統(tǒng)的水力致裂切頂技術(shù)產(chǎn)生的裂縫空間形態(tài)、產(chǎn)狀、孔與孔之間的聯(lián)通性等無(wú)法有效控制，而且常規(guī)定向鉆孔產(chǎn)生的裂縫垂直于鉆孔軸向，導(dǎo)致堅(jiān)硬頂板水力致裂切頂往往達(dá)不到預(yù)期效果。

地應(yīng)力的大小和方向?qū)λχ铝蚜芽p的走向具有決定作用，對(duì)于特定的礦區(qū)而言原巖應(yīng)力場(chǎng)具有自身的大小和方向?qū)傩裕搮^(qū)域水力致裂裂縫的空間產(chǎn)狀一般要服從這個(gè)區(qū)域的地應(yīng)力分布[14]。研究表明[15-17]，采掘、鉆孔等活動(dòng)可以形成一定范圍的地下空間，從而改變這個(gè)區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)，這為人工誘導(dǎo)水力致裂裂縫擴(kuò)展方向，從而精細(xì)控制頂板空間結(jié)構(gòu)提供了可能。

榆樹泉煤礦下10煤層1012綜采工作面頂板抗壓強(qiáng)度超過90MPa，單層厚度接近10m，結(jié)構(gòu)完整性高，回采過程中頂板難以垮落，經(jīng)常出現(xiàn)懸頂問題，對(duì)工作面工人和機(jī)械安全造成了嚴(yán)重威脅。為此，結(jié)合該煤礦工程實(shí)際，利用深淺孔耦合三維定向水力致裂技術(shù)開展了1012工作面外切眼堅(jiān)硬頂板水力致裂研究。

1 工程概況

榆樹泉煤礦1012綜采工作面是下10煤層第4個(gè)綜采工作面，近東西走向布置，工作面傾向?yàn)榻媳毕颉９ぷ髅娉什灰?guī)則的長(zhǎng)方形布置，傾斜長(zhǎng)度122.6m，回采巷道長(zhǎng)度745m。下10煤層傾角10°～14°，平均12°，平均煤層厚度4.0m，埋深100.6m，屬全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。工作面煤層頂板以厚層細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖、砂礫巖為主，鈣質(zhì)膠結(jié)，厚度穩(wěn)定。工作面頂板煤巖層情況如圖1所示。

圖1 1012工作面切眼頂板煤巖層情況

1012綜采工作面切眼附近頂板取芯、鉆孔窺視以及巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果表明，下10煤層頂板具有單層厚度大、結(jié)構(gòu)完整、強(qiáng)度高的顯著特征。其中，基本頂為9.6m厚細(xì)砂巖，結(jié)構(gòu)均勻完整，RQD達(dá)到了95%以上；基本頂以上的粗砂巖、礫巖互層厚度12.8m，結(jié)構(gòu)整體完整，RQD為75%～90%。頂板巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 1012綜采工作面切眼頂板巖石強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

2 深淺孔耦合三維定向水力致裂技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

水力致裂是通過巖體中鉆孔施加高水壓力使鉆孔孔壁破裂的施工工藝，力學(xué)上可以簡(jiǎn)化為二維平面內(nèi)雙向受力無(wú)限大平板圓孔受力問題，水力致裂孔壁受力模型如圖2所示。

圖2 水力致裂孔壁受力模型

鉆孔切向應(yīng)力表達(dá)式為[3]：

式中，σθ為孔周切向應(yīng)力，Pa；σ1為平面內(nèi)最大主應(yīng)力，Pa；σ2為平面內(nèi)最小主應(yīng)力，Pa；r0為鉆孔半徑，m；r為距鉆孔中心的距離，m；θ為任意徑向與σ1方向的夾角，(°)；P為注水壓力，Pa。

當(dāng)r=r0時(shí)，即拉裂孔壁周邊應(yīng)力為：

σθ=σ1+σ2-2(σ1-σ2)cos2θ-P

(2)

當(dāng)θ=0°時(shí)，σθ有最大拉應(yīng)力：σθ=3σ2-σ1-P。

當(dāng)孔周最大拉應(yīng)力超過巖石抗拉強(qiáng)度時(shí)孔壁即發(fā)生開裂，則有：

P=3σ2-σ1+σt

(3)

由上式可知，區(qū)域最小主應(yīng)力和巖石抗拉強(qiáng)度越小，所需要的鉆孔致裂水壓越低，巖層越容易致裂。

為了研究水力致裂過程中鉆孔間距對(duì)鉆孔附近應(yīng)力場(chǎng)的影響規(guī)律，利用有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件建立系統(tǒng)鉆孔水力致裂二維仿真模型，模型高度及寬度分別為6m×24m，鉆孔直徑85mm，圍巖力學(xué)參數(shù)取值見表1，在鉆孔內(nèi)部對(duì)孔壁法向加壓模擬水力致裂過程。間距1.5m和3m條件下圍巖最小主應(yīng)力如圖3所示。致裂孔間距為3m時(shí)，僅有鉆孔周邊圍巖應(yīng)力發(fā)生變化，孔與孔之間的圍巖最小主應(yīng)力并未受到影響，仍然為原巖應(yīng)力狀態(tài)；當(dāng)孔間距為1.5m時(shí)，孔與孔之間最小主應(yīng)力3～3.4MPa等值線出現(xiàn)聯(lián)通，最小主應(yīng)力應(yīng)力場(chǎng)出現(xiàn)擾動(dòng)，鉆孔間地應(yīng)力值小于原巖應(yīng)力，表明密集鉆孔對(duì)巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布特征產(chǎn)生了影響，鉆孔排布方向成為裂縫優(yōu)勢(shì)擴(kuò)展方向。

圖3 致裂孔最小主應(yīng)力場(chǎng)

基于以上考慮，首先根據(jù)頂板空間位態(tài)的控制需要，設(shè)計(jì)和布置應(yīng)力導(dǎo)向系統(tǒng)深淺孔，改造區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)，誘導(dǎo)水力致裂裂縫發(fā)育空間產(chǎn)狀。在此基礎(chǔ)上，通過深淺孔耦合水力保壓致裂工藝，分批次、分段致裂頂板，利用封隔器在頂板深部形成水平方向裂縫割斷致裂體與母巖的聯(lián)系，方便致裂范圍內(nèi)巖層垮落，在淺部形成鉆孔間完全聯(lián)通的豎向裂隙面，最終將目標(biāo)巖層與母巖精準(zhǔn)剝離，形成三維空間上的潛在自由冒落體，達(dá)到精準(zhǔn)定向切頂?shù)哪康?。?jiān)硬頂板煤層初采深淺孔耦合三維定向水力致裂技術(shù)原理如圖4所示。

圖4 深淺孔耦合三維定向水力致裂技術(shù)原理

2.2 技術(shù)實(shí)施方案

2.2.1 切頂層位確定

根據(jù)碎脹原理，若要冒落的頂板充填滿采空區(qū)，則需要切頂?shù)膸r層高度表達(dá)式為[18]：

式中，Hm為切頂高度，m；M為煤層厚度，m；C為回采率；Km為碎脹系數(shù)。

下10煤厚度為4.2m，回采率取0.95，細(xì)砂巖碎脹系數(shù)為1.4，則有：

因此，本次需要切頂?shù)母叨葹?.98m。各巖層結(jié)構(gòu)和碎脹系數(shù)見表2。

表2 下10煤層頂板垮落后碎脹情況

根據(jù)鉆孔揭示的頂板結(jié)構(gòu)可知，下10煤層頂板10～12m范圍內(nèi)為堅(jiān)硬均質(zhì)結(jié)構(gòu)性好的細(xì)砂巖巖層，往上為下9煤層和礫巖巖層，二者結(jié)構(gòu)性差含有很多原生裂隙。綜上，確定9.6m厚度細(xì)砂巖層作為本次1012工作面外切眼重點(diǎn)水力致裂層位(淺孔垂直深度8m)，其上的粗砂巖及礫巖互層為次要水力致裂層位(深孔垂直深度16m)。

2.2.2 1012工作面外切眼鉆孔壓裂工藝

為了使壓裂更為充分，1012外切眼頂板預(yù)裂鉆孔布置在架前、架后各一組，切眼上口鉆孔開孔位置距軌道運(yùn)輸巷下幫1.5m。l#孔深度18m，2#孔深度9m，孔間距1.5m，1#孔與2#孔穿插施工，鉆孔傾角65°向切眼下口方向傾斜，與切眼煤墻夾角0°。3#孔深度25m，4#孔深度13m，孔間距1.5m，3#孔與4#孔穿插施工，預(yù)裂孔傾角40°向切眼下口方向傾斜，與切眼煤墻夾角0°。1012外切眼內(nèi)鉆孔壓裂布置如圖5所示。

圖5 1012外切眼內(nèi)鉆孔壓裂布置(m)

切眼回采幫1#類型鉆孔作為深部壓裂孔，2#類型鉆孔作為淺部壓裂孔。1#類型鉆孔總長(zhǎng)18m，分4段壓裂，孔口往里14～17m范圍為第一段壓裂區(qū)，10～13m范圍為第二段壓裂區(qū)，5.5～8.5m范圍為第三段壓裂區(qū)，1.5～4.5m范圍為第四段壓裂區(qū)。用雙路封隔器依次對(duì)切眼回采幫l#類型鉆孔的前三個(gè)鉆孔的第一段壓裂區(qū)進(jìn)行封孔。壓裂結(jié)束后依次將雙路封隔器后退至各自鉆孔的第二段壓裂區(qū)并進(jìn)行封孔壓裂。而后在1#鉆孔間安裝2#類型鉆孔封隔器進(jìn)行第三段和第四段的壓裂，而后向前安裝2個(gè)2#類型鉆孔封隔器，開展這兩個(gè)2#類型鉆孔及其中間1#鉆孔第三段和第四段的壓裂，自此該組鉆孔壓裂結(jié)束。隨后依次按組壓裂直至切眼回采幫鉆孔壓裂完成。切眼采空區(qū)側(cè)鉆孔使用同樣壓裂工藝。

3 深淺孔耦合三維定向水力致裂數(shù)值仿真

為了驗(yàn)證深淺孔耦合三維定向水力致裂技術(shù)對(duì)堅(jiān)硬頂板工作面初采的卸壓效果，開展正?；夭杉吧顪\孔耦合三維定向水力致裂條件下工作面初采覆巖結(jié)構(gòu)及應(yīng)力演化規(guī)律離散元數(shù)值仿真。

3.1 模型建立

UDEC模型尺寸水平方向?qū)?00m，高度從地表直至下10煤層老底共計(jì)123.1m，相關(guān)巖石力學(xué)參數(shù)見表1。在1012外切眼回采幫切頂，切縫深度16m，切頂角度90°，下邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定。

3.2 無(wú)切頂正?；夭?/h3>

自然垮落條件下，當(dāng)回采采空區(qū)跨度達(dá)到49m時(shí)細(xì)砂巖老頂中間上部壓應(yīng)力集中，下部拉應(yīng)力出現(xiàn)張開裂隙，高應(yīng)力集中區(qū)穩(wěn)定在工作面超前35～40m位置，應(yīng)力集中系數(shù)增加至6～7，如圖6所示。同時(shí)，切眼采空區(qū)幫應(yīng)力集中范圍擴(kuò)大，上部下9煤、礫巖以及中砂巖離層擾動(dòng)范圍擴(kuò)大。

圖6 采空區(qū)跨度49m時(shí)采場(chǎng)豎向應(yīng)力分布(Pa)

當(dāng)回采采空區(qū)跨度達(dá)到52m時(shí)細(xì)砂巖老頂出現(xiàn)破斷垮落，同時(shí)上部下9煤、粗砂巖、礫巖互層隨之垮落。工作面前方高應(yīng)力集中區(qū)仍穩(wěn)定在工作面超前35～40m位置，但應(yīng)力集中系數(shù)迅速降低至2～4，如圖7所示。基本頂突然的垮落導(dǎo)致向上巖層大范圍擾動(dòng)離層，如此規(guī)模龐大的巖層運(yùn)移在實(shí)際生產(chǎn)過程中會(huì)造成采空區(qū)颶風(fēng)和對(duì)液壓支架的強(qiáng)烈沖擊，誘發(fā)頂板事故及煤塵、瓦斯爆炸等次生事故。

圖7 采空區(qū)跨度52m時(shí)采場(chǎng)豎向應(yīng)力分布(Pa)

3.3 深淺孔耦合三維定向水力致裂

深淺孔耦合三維定向水力致裂工藝實(shí)施以后，切眼基本頂淺部形成沿巷道走向的豎直貫通裂縫，深部形成水平方向裂隙將厚層頂板分割為薄層。1012工作面回采2.5m即采空區(qū)跨度達(dá)到10m時(shí)，直接頂中砂巖開始離層垮落，老頂細(xì)砂巖出現(xiàn)卸壓并影響上部下9煤和粗砂巖、礫巖互層。工作面超前應(yīng)力集中區(qū)主要分布在工作面超前40m位置，應(yīng)力集中系數(shù)2～4，如圖8所示。

圖8 采空區(qū)跨度10m時(shí)采場(chǎng)豎向應(yīng)力分布(Pa)

當(dāng)工作面采空區(qū)跨度達(dá)到16m時(shí)，老頂細(xì)砂巖分層出現(xiàn)離層，深淺孔裂隙出現(xiàn)貫通，基本頂被切割為自由體在重力作用下沿切頂線垮落。采場(chǎng)應(yīng)力發(fā)生大范圍調(diào)整，超前應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力降低為3，如圖9所示。

圖9 采空區(qū)范圍16m時(shí)采場(chǎng)豎向應(yīng)力分布(Pa)

隨著工作面回采，采空區(qū)范圍達(dá)到25m時(shí)，工作面超前應(yīng)力集中區(qū)向前移動(dòng)，主要分布在工作面超前25m位置，應(yīng)力集中系數(shù)2～4，如圖10所示。

圖10 采空區(qū)范圍25m時(shí)采場(chǎng)豎向應(yīng)力分布(Pa)

工作面回采16.5m時(shí)采空區(qū)跨度達(dá)到34m，老頂細(xì)砂巖再次冒落，同時(shí)上覆下9煤和粗砂巖礫巖互層隨之向上冒落出現(xiàn)穹窿形，采空區(qū)碎石逐漸被壓實(shí)。工作面超前應(yīng)力集中區(qū)主要分布在工作面超前20～30m，應(yīng)力集中系數(shù)2～3，如圖11所示。

圖11 采空區(qū)跨度34m時(shí)采場(chǎng)豎向應(yīng)力分布(Pa)

綜合切眼覆巖垮落規(guī)律、垮落步距及超前集中應(yīng)力分布情況可知：深淺孔耦合三維定向水力致裂技術(shù)可以有效促進(jìn)頂板分層垮落，減小覆巖初次垮落步距，降低工作面來(lái)壓強(qiáng)度及工作面超前集中應(yīng)力峰值。

4 實(shí)施效果

4.1 壓裂曲線

為統(tǒng)計(jì)壓裂時(shí)間、致裂壓力以及水流量，本次壓裂在高壓泵和封隔器之間設(shè)置了壓力流量傳感器。由觀測(cè)結(jié)果可以看出，隨著高壓泵逐級(jí)加壓，水壓迅速上升至16.5MPa，短暫穩(wěn)定后突增至18MPa，而后迅速跌落，穩(wěn)定在15.2MPa左右直至壓裂結(jié)束。因此，確定該處地層致裂壓力為18MPa。

鉆孔致裂壓力與鉆孔深度、鉆孔巖性以及孔壁完整程度等因素密切相關(guān)。本次1012外切眼壓裂孔總數(shù)為140個(gè)，致裂壓力均不相同，各鉆孔水力致裂壓力峰值情況如圖12所示。由圖12可知，鉆孔水力致裂壓力峰值具有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：第一，靠近下端頭位置鉆孔致裂壓力均比靠近上端頭側(cè)高，這是由于工作面越靠近上端頭側(cè)地勢(shì)越高，且越接近火燒區(qū)巖層的結(jié)構(gòu)完整性越差，這與鉆孔窺視的結(jié)果吻合；第二，第二段和第三段的致裂壓力要高于第一段和第四段。這是由于第一段粗砂巖與礫巖互層空隙較大，結(jié)構(gòu)完整性和強(qiáng)度均低于細(xì)砂巖，其次第四段靠近孔口位置，約束圍壓較小，且受到切眼開挖卸荷效應(yīng)影響結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了一定損傷，因此致裂壓力比較小。

圖12 各鉆孔水力致裂壓力峰值曲線

4.2 鉆孔窺視

為評(píng)估水力致裂工藝的致裂效果，在壓裂后對(duì)鉆孔孔壁進(jìn)行了孔內(nèi)攝像觀測(cè)。觀測(cè)結(jié)果表明，水力致裂實(shí)施后，鉆孔孔壁在壓裂段出現(xiàn)了明顯的對(duì)稱軸向劈裂裂縫，長(zhǎng)度為1.5～4m，裂縫方向與切眼走向一致。另外，相鄰孔淺孔范圍裂縫位置和走向基本一致，說明相鄰鉆孔間淺部的裂縫出現(xiàn)了貫通，形成了沿切眼走向的裂隙面，壓裂效果非常好。

4.3 頂板淋水情況

頂板壓裂后水流沿著裂隙流出，出水位置和水量在一定程度上能夠反映裂隙擴(kuò)展的空間形態(tài)以及切頂?shù)男Ч，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果表明，壓裂后頂板淋水特征與壓裂層位密切相關(guān)。深部壓裂時(shí)(壓裂位置15m和12m)，具有壓裂時(shí)間長(zhǎng)、淋水時(shí)間晚、出水位置遠(yuǎn)的顯著特征。如第14號(hào)支架鉆孔壓裂深度為15m時(shí)，壓裂時(shí)間超過30min后，周邊鉆孔仍然沒有淋水，最終發(fā)現(xiàn)距離壓裂點(diǎn)35m遠(yuǎn)的1012下巷端頭位置鉆孔出水且單孔出水量極大，這表明深部壓裂裂縫擴(kuò)展方向主要為水平方向且裂隙導(dǎo)通性好。淺部壓裂時(shí)(壓裂位置8m和4m)，具有壓裂時(shí)間短、臨近孔出水多以及由近及遠(yuǎn)漸進(jìn)出水的特點(diǎn)。壓裂開始后很短時(shí)間保壓鉆孔相鄰的鉆孔即發(fā)生出水，隨著壓裂的持續(xù)進(jìn)行，壓裂孔附近的錨索孔及錨桿孔也發(fā)生淋水，最終支架下方大面積淋水，表明淺部壓裂位置壓裂孔、錨索孔及錨桿孔之間發(fā)育了密集導(dǎo)水裂隙，水力致裂達(dá)到了較為理想的效果。

4.4 頂板垮落效果

1012工作面回采過程中現(xiàn)場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)及液壓支架壓力數(shù)據(jù)觀測(cè)結(jié)果表明，當(dāng)工作面回采8m時(shí)直接頂中砂巖出現(xiàn)垮落，回采16.3m時(shí)液壓支架增阻明顯，工作面煤壁出現(xiàn)片幫，基本頂全部垮落，工作面初次來(lái)壓，來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)平均為1.52。與采用相同采煤工藝的1204綜放工作面相比，采用深淺孔耦合三維定向水力致裂工藝后工作面初次垮落步距縮短了41.7m，動(dòng)載系數(shù)降低了32%，水力致裂效果明顯。

5 結(jié) 論

1)深淺孔耦合三維定向水力致裂技術(shù)通過系統(tǒng)布置的密集鉆孔可以改造區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)，誘導(dǎo)水力致裂裂縫發(fā)育空間產(chǎn)狀。通過深淺孔耦合水力保壓致裂工藝，分批次、分段致裂頂板，在頂板深部形成水平方向裂縫割斷致裂體與母巖的聯(lián)系，在淺部形成鉆孔間完全聯(lián)通的豎向裂隙面，最終將目標(biāo)巖層與母巖精準(zhǔn)剝離，形成三維空間上的潛在自由冒落體，達(dá)到精準(zhǔn)定向切頂?shù)哪康摹?/p>

2)數(shù)值仿真結(jié)果表明，深淺孔耦合三維定向水力致裂工藝實(shí)施以后，切眼基本頂淺部形成沿巷道走向的豎直貫通裂縫，深部形成水平方向裂隙將厚層頂板分割為薄層，可以有效促進(jìn)頂板分層垮落，減小覆巖初次垮落步距，降低工作面來(lái)壓強(qiáng)度及工作面超前集中應(yīng)力峰值。

3)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施結(jié)果表明，1012工作面外切眼頂板致裂壓力與巖層巖性、結(jié)構(gòu)完整性以及層位密切相關(guān)。水力致裂實(shí)施后，鉆孔孔壁在壓裂段出現(xiàn)了對(duì)稱的軸向劈裂裂縫，裂縫方向與切眼走向一致。深部壓裂裂縫擴(kuò)展方向主要為水平方向且裂隙導(dǎo)通性好，淺部壓裂位置壓裂孔、錨索孔及錨桿孔之間發(fā)育了密集導(dǎo)水裂隙；采用深淺孔耦合三維定向水力致裂工藝后工作面初次垮落步距縮短了41.7m，動(dòng)載系數(shù)降低了32%，水力致裂切頂效果明顯。