水力壓裂弱化頂板護(hù)孔技術(shù)

薛江達(dá)，孫永康，王軍，張庚

（太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 晉中 030600）

0 引言

瓦斯是威脅煤礦井下安全生產(chǎn)主要的因素之一[1-3]。順層鉆孔是礦井回采工作面的主要瓦斯治理方式，工作面回采前要施工順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，抽采達(dá)標(biāo)后才可安排回采作業(yè)[4-5]。采區(qū)內(nèi)單翼布置順序開(kāi)采的工作面回采過(guò)程中，極易在鄰近工作面煤體中形成較高的采動(dòng)支承應(yīng)力，導(dǎo)致工作面煤體大范圍塑性區(qū)破壞，從而造成鄰近工作面煤體中提前施工的順層鉆孔的封孔段發(fā)生破壞，使得順層鉆孔失效，嚴(yán)重制約了工作面安全高效生產(chǎn)[6-8]。

為提高順層鉆孔的穩(wěn)定性，保證其抽采效果，有學(xué)者對(duì)護(hù)孔技術(shù)進(jìn)行了研究。姚向榮等[9]基于注漿固化成孔新理論，對(duì)工作面巷道抽采鉆孔圍巖弱結(jié)構(gòu)破壞失穩(wěn)進(jìn)行了有效控制。葉高榜[10]分析了鉆孔坍塌、變形的力學(xué)條件，提出了用于解決松軟煤層鉆孔塌孔的新型內(nèi)支撐護(hù)孔管。孟曉紅[11]建立了不同角度鉆孔塌孔的力學(xué)模型，提出了采取小直徑鉆孔、增加鉆孔支護(hù)強(qiáng)度等方式提高鉆孔穩(wěn)定性。張金寶[12]開(kāi)發(fā)了鉆孔內(nèi)水力輸送分組篩管自主對(duì)接完孔工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鉆孔全孔段篩管護(hù)孔。李潤(rùn)澤等[13]利用大通孔螺旋鉆孔配合可開(kāi)閉鉆頭對(duì)煤層鉆孔進(jìn)行全程下篩管護(hù)孔工藝研究，解決了鉆孔易發(fā)生塌孔的問(wèn)題。陳超等[14]提出了采用跟管護(hù)孔鉆進(jìn)工藝過(guò)高應(yīng)力區(qū)，以達(dá)到護(hù)壁效果。張鵬等[15]提出了全長(zhǎng)篩管護(hù)孔技術(shù)，以防止鉆孔漏氣而影響抽采效果。

現(xiàn)階段的研究主要集中在增強(qiáng)鉆孔本身強(qiáng)度，并未針對(duì)影響鉆孔穩(wěn)定性的根本性因素提出解決措施。本文以山西和順正邦良順煤業(yè)有限公司（以下簡(jiǎn)稱良順煤礦）150205 工作面順層鉆孔受鄰近工作面采動(dòng)影響為工程背景，通過(guò)分析順層鉆孔失穩(wěn)原因，提出了一種水力壓裂弱化頂板護(hù)孔技術(shù)。利用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐相結(jié)合的方式，研究水力壓裂弱化頂板對(duì)順層鉆孔的保護(hù)效果。

1 工程背景

良順煤礦井田位于沁水煤田東北部。井田地質(zhì)總體上為單斜構(gòu)造，地層傾角平緩，中部為褶曲構(gòu)造并發(fā)育有8 條正斷層。煤礦主采15 號(hào)煤層，且為單翼開(kāi)采，煤層平均厚度為4.8 m，平均埋深為450 m，工作面基本頂以K2 石灰?guī)r和細(xì)粒砂巖為主，總厚度為12.0 m。工作面地質(zhì)柱狀圖如圖1 所示。

圖1 工作面地質(zhì)柱狀圖Fig.1 Geological column histogram of the working face

工作面布置如圖2 所示。150203 工作面為回采工作面，臨近150205 工作面為順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯工作面，工作面煤柱寬度為20 m。150205 工作面順層鉆孔孔徑為108 mm，鉆孔間距為2 m，鉆孔長(zhǎng)度為80 m。隨著150203 工作面回采，采動(dòng)支承應(yīng)力沿頂板堅(jiān)硬巖層傳遞到150205 工作面煤柱和煤體，造成順層鉆孔周圍煤體的塑性區(qū)擴(kuò)展，影響鉆孔封孔效果，導(dǎo)致其失效或抽采效果降低。

圖2 工作面布置Fig.2 Layout of the working face

2 順層鉆孔失穩(wěn)分析

2.1 順層鉆孔應(yīng)力分布特征

基于巷道圍巖松動(dòng)圈理論[16-18]，類比分析順層鉆孔在支承應(yīng)力作用下周圍亦存在破碎區(qū)和塑性區(qū)。在理想狀態(tài)下，鉆孔圍巖彈塑性區(qū)分布如圖3所示。其中，σ1為垂直應(yīng)力，MPa；σ2為水平應(yīng)力，MPa；R1為鉆孔半徑，m；R2為破碎區(qū)半徑，m；R3為塑性區(qū)半徑，m。

圖3 鉆孔圍巖彈塑性區(qū)分布Fig.3 Distribution of borehole surrounding rock elastoplastic zones

根據(jù)彈性力學(xué)模型可知[19-21]，鉆孔位于圍巖彈性范圍的非均勻引力場(chǎng)中，巷道圍巖處于彈性狀態(tài)，可得

2.2 鉆孔失穩(wěn)破壞影響因素

1）順層鉆孔施工完成后，鉆孔形狀固定，孔壁穩(wěn)定。由于煤體中支承應(yīng)力的影響，鉆孔孔壁煤體發(fā)生蠕變，隨著抽采時(shí)間延長(zhǎng)，孔壁煤體較軟處會(huì)形成坍塌而完全阻塞瓦斯的流動(dòng)通道。

2）順層鉆孔施工完成后，鉆孔周圍的應(yīng)力場(chǎng)趨于穩(wěn)定，且鉆孔未發(fā)生破壞。當(dāng)鉆孔周圍煤體受擾動(dòng)或采動(dòng)影響時(shí)，會(huì)發(fā)生支承應(yīng)力的重新分布，并產(chǎn)生較高的支承應(yīng)力峰值，造成煤體塑性區(qū)擴(kuò)展，使順層鉆孔封孔區(qū)發(fā)生破壞，影響鉆孔抽采效果。

3 水力壓裂弱化頂板護(hù)孔技術(shù)數(shù)值模擬

3.1 水力壓裂弱化頂板護(hù)孔原理分析

水力壓裂可降低堅(jiān)硬基本頂?shù)膹?qiáng)度，優(yōu)化基本頂?shù)臄嗔盐恢?，減小作用在鄰近工作面煤體上的采動(dòng)支承應(yīng)力峰值，切斷應(yīng)力傳播路徑。作用在順層鉆孔周圍煤體中的應(yīng)力峰值降低后，可有效防止鉆孔周圍煤體發(fā)生較大范圍的塑性破壞而導(dǎo)致鉆孔封孔段失效而漏氣。

順層鉆孔全孔段下置篩管，保證煤體與鉆孔之間存在氣體流通的通道，水力壓裂弱化頂板護(hù)孔技術(shù)可很好地保護(hù)鉆孔封孔段的密封性，從而保證順層鉆孔的抽采效果。

3.2 模型建立及參數(shù)設(shè)定

根據(jù)礦井地質(zhì)柱狀圖及巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，各巖層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各巖層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of each rock formation

從工程實(shí)際角度出發(fā)，確定數(shù)值模型尺寸為150 m×150 m×37.1 m（長(zhǎng)×寬×高），共有400 000 個(gè)單元和417 231 個(gè)節(jié)點(diǎn)，選用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，數(shù)值模型如圖4 所示。圖中沿煤層走向?yàn)閤軸，沿煤層傾向?yàn)閥軸，垂直于煤層方向?yàn)閦軸。

圖4 數(shù)值模型Fig.4 Numerical model

150205 工作面埋深為450 m，計(jì)算上覆巖層荷載，施加的垂直應(yīng)力約為10 MPa。根據(jù)良順煤礦的地質(zhì)資料，側(cè)壓系數(shù)取1.2。模型邊界設(shè)置為不透水邊界。限制模型向四周變形移動(dòng)，即將模型的前后左右及底面的位移、速度限制為零，將模型的上邊界作為自由邊界。

設(shè)置x=15～18 m，y=0～150 m，z=7～10 m 處為150205 回風(fēng)巷，x=38～138 m，y=10～50 m，z=7～10 m處為回采范圍，并預(yù)留20 m 寬煤柱。考慮到工程實(shí)際情況，水力壓裂鉆孔布置在150205 回風(fēng)巷兩側(cè)y=20～60 m，z=10 m 處，沿y軸方向每10 m 設(shè)置1 個(gè)水力壓裂鉆孔，并在臨近150203 運(yùn)輸巷相同位置布置水力壓裂鉆孔。水力壓裂鉆孔穿過(guò)K2 石灰?guī)r，鉆孔角度為75°，鉆孔孔徑為75 mm。注水壓力為20～27 MPa，每個(gè)鉆孔壓裂4 次，每個(gè)壓裂段都在關(guān)鍵層中，每個(gè)壓裂段壓裂時(shí)間為30 min。

采用spss22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理?？ǚ接靡詸z驗(yàn)計(jì)數(shù)資料，t值用以檢驗(yàn)計(jì)量資料，以P＜0.05具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3.3 水力壓裂弱化頂板前后煤體破壞規(guī)律分析

當(dāng)煤層上部賦存堅(jiān)硬頂板時(shí)，鄰近工作面回采會(huì)在鉆孔附近的煤體形成應(yīng)力集中區(qū)域，如圖5 所示。

圖5 鉆孔周圍煤體應(yīng)力分布云圖Fig.5 Cloud map of coal stress distribution around borehole

水力壓裂弱化頂板前，鄰近工作面回采40 m 過(guò)程中，鉆孔周圍煤體垂直應(yīng)力演化規(guī)律如圖6 所示?？煽闯鲟徑ぷ髅婊夭芍?0 m 時(shí)，鉆孔周圍煤體的垂直應(yīng)力峰值為15.6 MPa，此時(shí)鉆孔周圍煤體受采動(dòng)支承應(yīng)力影響較?。换夭芍?0 m 時(shí)，鉆孔周圍煤體的垂直應(yīng)力峰值為18.1 MPa，采動(dòng)支承應(yīng)力對(duì)鉆孔周圍煤體的影響逐漸變大；回采至30 m 時(shí)，鉆孔周圍煤體的垂直應(yīng)力峰值為21.2 MPa，此時(shí)采動(dòng)支承應(yīng)力對(duì)鉆孔周圍煤體的影響達(dá)到最大；回采至40 m 時(shí)，鉆孔周圍煤體的垂直應(yīng)力峰值減小，為17.3 MPa。

圖6 水力壓裂弱化頂板前煤體垂直應(yīng)力演化規(guī)律Fig.6 Evolution law of vertical stress of coal before hydraulic fracturing weakening roof

水力壓裂弱化頂板后，鄰近工作面回采40 m 過(guò)程中，鉆孔周圍煤體垂直應(yīng)力演化規(guī)律如圖7 所示?？煽闯鲟徑ぷ髅婊夭芍?0，20，30，40 m 時(shí)，鉆孔周圍煤體的垂直應(yīng)力峰值分別為8.6，8.9，9.0，9.1 MPa。水力壓裂弱化頂板后，鉆孔周圍煤體的垂直應(yīng)力峰值降低了57.1%，能夠很好地避免鉆孔周圍煤體的塑性區(qū)擴(kuò)展，保證鉆孔的封孔和抽采效果。

圖7 水力壓裂弱化頂板后煤體垂直應(yīng)力演化規(guī)律Fig.7 Evolution law of vertical stress of coal after hydraulic fracturing weakening roof

鉆孔周圍煤體受采動(dòng)支承應(yīng)力影響時(shí)，會(huì)在煤體中造成塑性區(qū)擴(kuò)展，如圖8 所示?？煽闯鲟徑ぷ髅婊夭珊螅捎阢@孔周圍煤體受較高采動(dòng)支承應(yīng)力的影響，煤體發(fā)生塑性破壞的范圍較大，塑性區(qū)范圍約為19 m；采用水力壓裂弱化頂板后，作用在鉆孔周圍煤體的采動(dòng)支承應(yīng)力峰值大大降低，煤體發(fā)生塑性破壞的范圍減小，塑性區(qū)范圍約為11 m，塑性區(qū)范圍減小了42.1%。

圖8 水力壓裂弱化頂板前后回采40 m 時(shí)煤體塑性區(qū)分布Fig.8 Plastic zone distribution of coal when mining 40 m before and after hydraulic fracturing weakening roof

4 水力壓裂弱化頂板護(hù)孔技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

為改善150205 回風(fēng)巷內(nèi)順層鉆孔周圍煤體的應(yīng)力環(huán)境，使鉆孔能夠更好地發(fā)揮預(yù)抽作用，降低煤層瓦斯含量，在150205 回風(fēng)巷距切眼350～550 m區(qū)域?qū)嵤┧毫讶趸敯遄o(hù)孔技術(shù)。根據(jù)取芯樣本，水力壓裂弱化的目標(biāo)巖層是由7 m 厚石灰?guī)r和5 m 厚細(xì)粒砂巖組成的基本頂。

水力壓裂弱化頂板施工如圖9 所示。具體實(shí)施方案：在150203 運(yùn)輸巷向煤柱幫施工水力壓裂鉆孔，在150205 回風(fēng)巷兩側(cè)施工水力壓裂鉆孔；鉆孔設(shè)計(jì)深度為32 m，傾角為75°，孔徑為75 mm，間距為10 m；每個(gè)鉆孔采取后退式水力壓裂方式，每后退2.5 m 壓裂1 次，單孔壓裂4 次，每個(gè)鉆孔壓裂時(shí)間為30 min，注水壓力為20～27 MPa。

圖9 水力壓裂弱化頂板施工Fig.9 Construction of hydraulic fracturing weakening roof

150205 回風(fēng)巷內(nèi)順層鉆孔長(zhǎng)度為60 m，鉆孔孔徑為108 mm，封孔管徑為63 mm，封孔深度為18 m。在受采動(dòng)影響的150205 回風(fēng)巷進(jìn)行水力壓裂弱化頂板區(qū)域選取3 組順層鉆孔，編號(hào)分別為1-1，1-2，1-3，與切眼的距離分別為400，450，500 m，每組各有8 個(gè)鉆孔；在受采動(dòng)影響的150205 回風(fēng)巷未進(jìn)行水力壓裂弱化頂板區(qū)域選取3 組順層鉆孔，編號(hào)分別為2-1，2-2，2-3，與切眼的距離分別為100，150，200 m，每組各有8 個(gè)鉆孔。每組順層鉆孔中布置匯流管、放水器和計(jì)量裝置，通過(guò)測(cè)定順層鉆孔中瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)、瓦斯抽采流量和CO 體積分?jǐn)?shù)來(lái)分析水力壓裂弱化頂板護(hù)孔效果。

各組鉆孔的瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)如圖10 所示?？煽闯鍪懿蓜?dòng)影響的150205 回風(fēng)巷進(jìn)行水力壓裂弱化頂板區(qū)域的3 組鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)最大值達(dá)18.2%，平均值為14.1%；未進(jìn)行水力壓裂弱化頂板區(qū)域的3 組鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)最大值為9.3%，平均值為3.6%，且有鉆孔出現(xiàn)瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)接近0 的情況。

圖10 瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)變化曲線Fig.10 Variation curve of gas extraction volume fraction

各組鉆孔的瓦斯抽采混合流量如圖11 所示?？煽闯鍪懿蓜?dòng)影響的150205 回風(fēng)巷進(jìn)行水力壓裂弱化頂板區(qū)域的3 組鉆孔瓦斯抽采混合流量平均值為0.464 m3/min；未進(jìn)行水力壓裂弱化頂板區(qū)域的3 組鉆孔瓦斯抽采混合流量平均值為1.28 m3/min，這是由于未進(jìn)行水力壓裂弱化頂板區(qū)域的鉆孔封孔段出現(xiàn)漏氣的情況。各組鉆孔的CO 體積分?jǐn)?shù)如圖12 所示。可看出受采動(dòng)影響的150205 回風(fēng)巷進(jìn)行水力壓裂弱化頂板區(qū)域的3 組鉆孔CO 體積分?jǐn)?shù)最大值為8×10-6；未進(jìn)行水力壓裂弱化頂板區(qū)域的3 組鉆孔的CO 體積分?jǐn)?shù)最大值為44×10-6，平均值為38×10-6，這是由于未進(jìn)行水力壓裂弱化頂板區(qū)域出現(xiàn)順層鉆孔與巷道通過(guò)煤壁裂隙貫通的情況，造成鉆孔內(nèi)煤體氧化產(chǎn)生較多的CO。

圖11 瓦斯抽采混合流量變化曲線Fig.11 Variation curve of mixed flow rate of gas extraction

圖12 CO 體積分?jǐn)?shù)變化曲線Fig.12 Variation curve of CO volume fraction

在實(shí)施水力壓裂弱化頂板護(hù)孔技術(shù)后，鉆孔瓦斯抽采濃度明顯提高，瓦斯抽采混合流量大幅降低，鉆孔內(nèi)煤體基本不會(huì)出現(xiàn)氧化反應(yīng)而產(chǎn)生CO，提高了鉆孔抽采效果，保證了鉆孔抽采安全。

5 結(jié)論

1）水力壓裂弱化頂板護(hù)孔技術(shù)一方面降低了采動(dòng)支承應(yīng)力的峰值，另一方面阻斷了高支承應(yīng)力向順層鉆孔周圍煤體的傳遞。數(shù)值模擬結(jié)果表明，順層鉆孔周圍煤體的垂直應(yīng)力峰值由21.2 MPa 降低為9.1 MPa，降低了57.1%。

2）水力壓裂弱化頂板護(hù)孔技術(shù)可減小臨近巷道煤壁塑性區(qū)范圍，避免順層鉆孔封孔段全區(qū)域的塑性破壞。數(shù)值模擬結(jié)果表明，隨著鉆孔周圍煤體支承應(yīng)力峰值降低，煤體塑性區(qū)范圍由19 m 減小為11 m，減小了42.1%。

3）在150203 運(yùn)輸巷與150205 回風(fēng)巷實(shí)施水力壓裂弱化頂板護(hù)孔技術(shù)后，鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)平均值由3.6%提高到14.1%，提高了74.5%；瓦斯抽采混合流量平均值由1.28 m3/min 降低為0.464 m3/min，降低了63.8%；未進(jìn)行水力壓裂弱化頂板區(qū)域的順層鉆孔中出現(xiàn)較高的CO 體積分?jǐn)?shù)，平均值為38×10-6，而進(jìn)行水力壓裂弱化頂板區(qū)域只有少數(shù)鉆孔出現(xiàn)CO。