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        水力壓裂切頂卸壓控制動壓巷道圍巖變形研究

        2019-06-19 07:23:34張江波
        煤礦現(xiàn)代化 2019年4期
        關(guān)鍵詞:水壓煤柱巖層

        張江波

        (霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西 霍州 031400)

        1 工程背景

        干河煤礦是霍州煤電集團(tuán)的主力生產(chǎn)礦井,2-209工作面為礦井主采面,工作面布置見圖1。井下相對位置北東端為井田邊界,南西端為二采區(qū)回風(fēng)巷,北西側(cè)均為實體煤,南東側(cè)為2-100工作面采空區(qū)。工作面煤層整體呈一傾向北西的單斜構(gòu)造,局部發(fā)育小型褶曲,煤層平均厚度:1、2#合并厚煤層區(qū)3.9m,夾矸平均0.6m左右。煤層結(jié)構(gòu)1.91(0.2~1.0)1.59,煤層傾角 1°~11°,平均 5°,煤層硬度(f)為1.5,屬于煤層穩(wěn)定性煤層。煤層底板標(biāo)高為48~126m,地面標(biāo)高為550~635m,工作面埋深為485~540m。工作面兩巷沿煤層走向布置,走向長度2160m,傾向長度183m。

        2091巷為實體煤中掘進(jìn),209工作面回采期間超前采動影響不大,超前支護(hù)段幾乎沒有明顯變形。2092巷與100工作面采空區(qū)間凈煤柱為25m,掘進(jìn)期間成型和支護(hù)效果良好,巷道未見明顯變形;但209工作面回采進(jìn)入到100采空區(qū)影響范圍后,2092巷超前影響段變形明顯,超前180m左右即有底板硬化層開裂,出現(xiàn)底鼓,超前60m范圍內(nèi)巷道變形嚴(yán)重,底板鼓起,兩幫移近,頂板出現(xiàn)破碎網(wǎng)包,變形最嚴(yán)重處巷寬由4.8m縮至3.5m,巷高由3.6m減至2.3m,起底量和超前維護(hù)量巨大。

        圖1 2-209工作面采掘工程平面圖

        在工作面回采動壓影響下,工作面兩側(cè)所留設(shè)的區(qū)段煤柱內(nèi)部應(yīng)力會隨著工作面推進(jìn)距離的變化而發(fā)生變化。當(dāng)距離工作面相對較遠(yuǎn)時,煤柱未受回采動壓影響而處于原巖應(yīng)力狀態(tài);當(dāng)煤柱與工作面距離較近時,在工作面超前支承壓力影響下,煤柱內(nèi)部應(yīng)力急劇增加,處于應(yīng)力增高區(qū);當(dāng)煤柱距離工作面后方較遠(yuǎn)后,煤柱內(nèi)部應(yīng)力逐漸減小,恢復(fù)到原巖應(yīng)力狀態(tài)并趨于穩(wěn)定。因此,受支承壓力的影響,護(hù)巷煤柱載荷急劇增長,外巷巷道的變形開始變大,如圖2所示,巷道片幫、底鼓現(xiàn)象突出。干河礦2092巷超前段發(fā)生急劇變形,為典型受超前采動影響所致,該巷同時受100采空區(qū)側(cè)向支承壓力和209回采面超前支承壓力影響,側(cè)向支承壓力無法進(jìn)行卸壓,因此需在2-2092巷采取超前切頂卸壓技術(shù)來減弱本工作面回采期間的超前支承壓力,減小超前影響段維護(hù)量。

        圖2 護(hù)巷煤柱在回采工作面前后方的應(yīng)力分布

        2 水力壓裂理論及技術(shù)

        水力壓裂即通過在鉆孔壓裂段預(yù)先生成切槽裂縫,通過注入高壓水來使孔內(nèi)裂隙發(fā)生定向擴(kuò)展致裂巖體的方法。該項技術(shù)在煤礦堅硬頂板控制控制方面經(jīng)過多年試驗,取得了良好的現(xiàn)場應(yīng)用效果。高壓水對頂板的作用主要體現(xiàn)在弱化頂板和高壓致裂兩個方面,對頂板巖層的完整性進(jìn)行破壞,同時降低其強(qiáng)度,從而有助于上覆頂板巖層發(fā)生逐次垮落,將頂板來壓步距及來壓強(qiáng)度大大減小,防止了堅硬頂板大面積來壓而導(dǎo)致工作面安全生產(chǎn)事故的發(fā)生。

        巖體是各向異性、內(nèi)含節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)弱面的非均質(zhì)材料,而在高壓水作用下巖體的裂紋擴(kuò)展是涉及到固體力學(xué)、流體力學(xué)的多場耦合作用過程。通過水力裂縫尖端應(yīng)力場,建立水力裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則,進(jìn)而對水力壓裂情況下,巖體的裂紋擴(kuò)展形態(tài)進(jìn)行研究。

        在進(jìn)行理論分析時,可將巖體看作是連續(xù)、均勻、各向同性的脆性材料,基于最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則,通過彈性力學(xué)的方法來對裂縫的起裂條件進(jìn)行分析研究。當(dāng)鉆孔相關(guān)參數(shù)及地應(yīng)力場不同時,則圍巖裂縫起裂規(guī)律也不同。例如,當(dāng)方位角θAz=0°,鉆孔傾斜角θInc從0°旋轉(zhuǎn)至90°,即鉆孔由垂直孔旋轉(zhuǎn)為水平孔,σH/σv=0.25、0.75、1.5 和 2.5 時,pb/σv的變化規(guī)律見圖3。

        圖3 開裂壓力(pb/σv)隨傾角θInc的變化規(guī)律

        由上圖可知,當(dāng) σH/σh=1.0 時,開裂壓力(pb/σv)與傾角θInc呈現(xiàn)反比關(guān)系,隨著鉆孔方向由豎直轉(zhuǎn)向水平,致裂巖層所需壓力呈減小趨勢;對于σvHh型地應(yīng)力場(σv>σH>σh),開裂壓力(pb/σv)與傾角 θInc呈先增大后減小的趨勢,所需開裂壓力的極值出現(xiàn)在鉆孔由豎直向水平的旋轉(zhuǎn)過程中;對于σHvh型地應(yīng)力場 (σH>σv>σh),開裂壓力(pb/σv)與傾角 θInc呈逐漸增大的趨勢,當(dāng)鉆孔由垂直方向轉(zhuǎn)向水平方向時,開裂巖層所需的壓力也在持續(xù)增加;對于σHhv型地應(yīng)力場 (σH>σh>σv),巖層開裂所需壓力會隨著鉆孔由豎直方向轉(zhuǎn)向水平方向而呈現(xiàn)減小趨勢。鉆孔傾角越接近水平方向,則所需開裂壓力也趨向一個收斂固定值;對于三種類型的應(yīng)力場,開裂壓力與σH/σh呈負(fù)相關(guān),與σH/σv呈正相關(guān)。

        定向水力壓裂如圖4所示。橫向切槽設(shè)置在壓裂孔部位,在實際工程應(yīng)用中,裂縫會沿著切槽的方向進(jìn)行擴(kuò)展。在鉆孔內(nèi)兩個封孔器段內(nèi)注入高壓水后,在橫向切槽的端部會產(chǎn)生拉應(yīng)力集中,在尖端處首先發(fā)生開裂,裂縫同時向深部擴(kuò)展。

        圖4 定向水力壓裂示意圖

        水利壓力機(jī)具設(shè)備主要有切槽鉆頭、封孔器、高壓注水泵及水量水壓監(jiān)測儀器等。橫向切槽鉆頭主要采用KZ54型切槽鉆頭,該鉆頭外徑為54mm,對于單軸抗壓強(qiáng)度在50~150MPa的巖層均具有很好的適應(yīng)性。封孔器選用跨式膨脹型封孔器,其構(gòu)成部分主要有:封孔器頭、膠筒、中心管、連桿等。膠筒由鋼絲加強(qiáng)的橡膠材料制作而成,注水后即可發(fā)生膨脹并封孔。該封孔器具有封孔壓力高的特點,同時可劃分不同的壓裂段,從而在同一鉆孔內(nèi)實現(xiàn)分段逐次壓裂。高壓注水泵通常選用壓力超過60MPa,流量達(dá)到80L/min左右的注水泵,在該注水壓力和流量下可實現(xiàn)鉆孔周邊圍巖被壓裂,且裂縫可擴(kuò)20~50m左右。水量水壓監(jiān)測儀器選擇KJ327-F型,該監(jiān)控儀器可對壓裂過程中高壓水的流量及壓力進(jìn)行實時顯示和記錄,通過與計算機(jī)連接可對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理,結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng),對于井下潮濕、惡劣的環(huán)境。巖體內(nèi)產(chǎn)生裂縫后,水壓會發(fā)生降低,裂隙會向巖層深部擴(kuò)展,通過數(shù)據(jù)監(jiān)測保證堅硬頂板被充分弱化。

        3 頂板水力壓裂工藝

        頂板水力壓裂包括封孔、高壓水壓裂、保壓注水三項主要工序,如圖5所示。該壓裂系統(tǒng)主要由以下幾部分組成:靜壓水進(jìn)水管路、高壓水泵、水泵壓力表、蓄存壓裂介質(zhì)水和油的儲能器、手動泵、手動泵壓力表、快速連接的高壓供水膠管、封孔器。

        圖5 頂板水力壓裂示意圖

        水力壓裂堅硬穩(wěn)定巖層強(qiáng)制放頂施工工藝如圖6所示。鉆孔內(nèi)的切槽鉆頭首先進(jìn)行橫向切槽,預(yù)制裂縫,如圖(a)所示。孔內(nèi)預(yù)置封孔器,通過人工操作手動泵使封孔器膨脹封孔,如圖(b)所示。通過高壓泵對封孔段內(nèi)注入高壓水,對巖層進(jìn)行致裂,如圖(c)所示。

        水壓致裂堅硬頂板具有如下技術(shù)優(yōu)勢:①該項技術(shù)不同于傳統(tǒng)水力壓裂,主要針對煤礦井下堅硬頂板難以垮落而設(shè)立,因而克服了煤礦井下施工環(huán)境差、空間范圍狹小等的點。②水力壓裂工作效率高,致裂頂板速度快,可滿足綜采工作面正常回采的要求,隨采頂板及時垮落。③水壓致裂通常超前工作面來進(jìn)行,因此不會對工作面的正常回采產(chǎn)生影響。④與采用火工品來爆破預(yù)裂頂板相比,水壓致裂的安全可靠性更高,致裂范圍更大,可在鉆孔較少的情況下,取得更好的致裂效果,從而提高施工作業(yè)效率。

        圖6 水力壓裂控制堅硬頂板巖層示意圖

        4 工業(yè)性試驗

        4.1 地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測試及礦壓顯現(xiàn)情況

        在2-1022巷(與2-100工作面間隔三條大巷,在大巷另一翼)進(jìn)行了一個測站圍巖地質(zhì)力學(xué)測試,測站最大水平主應(yīng)力為16.18MPa,最小水平主應(yīng)力為8.38MPa,垂直應(yīng)力為11.00MPa。最大水平主應(yīng)力方向為N1.7°E。測站所在巷道頂板以上10m范圍內(nèi)巖層依次分別為細(xì)粒砂巖和粉砂巖。細(xì)粒砂巖層厚在5m左右,巖層強(qiáng)度約為57.32MPa;粉砂巖層厚在5m左右,巖層強(qiáng)度約為37.45MPa。

        工作面初次來壓步距30m,平均周期來壓步距20.3m,其中工作面上部(靠近2091巷)周期來壓步距23m,中部周期來壓18m,下部(靠近2092巷)周期來壓20m。大部分時間工作面中部先來壓,其次是下部,最后是上部,說明工作面中部頂板壓力最大,而下部(靠近2巷)頂板壓力大于上部(靠近1巷)頂板壓力。

        4.2 水力壓裂卸壓參數(shù)設(shè)計

        鉆孔參數(shù)根據(jù)頂板巖層厚度、巖性、礦壓顯現(xiàn)特點與范圍,壓裂鉆孔布置如下圖7所示。為了避免影響工作面正常生產(chǎn)以及施工工期的要求,試驗段位置應(yīng)超前工作面150m。布置壓裂鉆孔S和鉆孔S′,與巷道夾角分別為90°和3-5°。鉆孔參數(shù)為:1)壓裂鉆孔-S,鉆孔長度40.5m,孔間距為16m,仰角為50°;2)壓裂鉆孔-S′,鉆孔長度 40.5m,孔間距為8m,仰角為50°。壓裂鉆孔和測站鉆孔的施工,鉆頭直徑為56mm,鉆桿直徑宜采用42mm。

        圖7 水力壓裂鉆孔布置圖

        5 結(jié)語

        在2-1002巷內(nèi)進(jìn)行了定向水壓致裂施工后,通過對正常回采段與水壓致裂段圍巖變形進(jìn)行對比可知,壓裂后巷道頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r變形量大大降低,降低量分別為50%和30%,表明水壓致裂切頂卸壓可有效控制巷道圍巖變形,實現(xiàn)工作面安全高效回采。

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