高 厚，陳衛(wèi)忠，邢天海，鄭有雷，賈曉東，程文武

(1.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071；2.中國科學院大學，北京 100049；3.山東大學 巖土與結構工程研究中心，山東 濟南 250061；4.兗州煤業(yè)股份有限公司 濟三煤礦，山東 濟寧 272000)

水力致裂技術最早應用在石油工程領域，以提高貧油井的產(chǎn)量，目前被廣泛應用于現(xiàn)代石油工業(yè)、地熱資源開發(fā)、核廢料儲存等領域，顯示出廣泛的工業(yè)應用價值[1]。水力致裂技術的實質是在一段封閉的鉆孔內注入高壓水，使孔壁附近產(chǎn)生大量裂紋，使巖體中原有裂紋張開和擴展[2]。根據(jù)彈塑性理論，水力致裂裂縫能否形成以及裂縫擴展方向取決于鉆孔周圍應力場和巖體強度。為了降低裂縫形成難度以及控制裂縫擴展方向，產(chǎn)生了定向水力致裂技術，其可以提前在巖體中形成定向裂縫。在煤炭開采領域，定向水力致裂技術已成為處理煤層堅硬頂板和防治沖擊地壓的手段之一[3-9]。隨著煤炭資源開采深度和開采強度的增加，礦井沖擊地壓災害日益加劇，嚴重威脅著井下人員及設備的安全[10，11]，而定向水力致裂技術可以改變煤巖體的應力狀態(tài)，從而預防沖擊地壓的發(fā)生。

水力致裂技術破壞了鉆孔周邊巖體的整體性，改變了圍巖的力學性質，導致了圍巖應力重分布。付軍輝等[12]采用數(shù)值模擬軟件，研究了煤層水力致裂對采場礦壓的應力擾動過程。楊帆[13]利用物理模擬實驗，研究了水力致裂過程中裂縫周邊的應力及其梯度變化規(guī)律。康紅普等[14]采用定向水力致裂對工作面頂板進行弱化處理，監(jiān)測了水力致裂前后鉆孔附近煤層應力的變化以及在工作面推進過程中前方煤層應力的變化，研究了應力演化規(guī)律。但是，由于頂板巖層三向應力現(xiàn)場測試流程較為復雜，目前關于水力致裂前后頂板巖層三向應力變化的研究較少，水力致裂技術對頂板卸壓的效果缺少現(xiàn)場試驗驗證。因此，本研究依托濟寧三號煤礦73下06工作面，現(xiàn)場開展了煤層頂板定向水力致裂試驗，采用光纖光柵三向應力傳感器監(jiān)測了水力致裂前后頂板巖層三向應力，得到了巖層三向應力的變化規(guī)律。本文研究成果可為堅硬難垮頂板治理及沖擊地壓防治提供參考依據(jù)。

1 試驗方案

1.1 試驗采區(qū)概況

試驗點選擇在濟寧三號煤礦73下06工作面。濟三煤礦是兗州煤業(yè)股份有限公司骨干礦井之一，位于山東省濟寧市，生產(chǎn)能力500萬t/a，其在引進波蘭定向水力裝備的基礎上，開發(fā)了適合自身條件的深孔定向水力致裂防沖技術[15]。73下06工作面位于濟三煤礦七采區(qū)中部，是七采區(qū)3下煤層首采工作面，工作面長度為260m，推進長度為1805m，平均埋深為825.48m。工作面兩回采巷道斷面形狀均為矩形，斷面尺寸為：凈寬×凈高=4.8m×3.8m。工作面布置如圖1所示。

圖1 73下06工作面布置圖

1.2 試驗采區(qū)地質條件

3下煤層煤厚0～6.10m，平均3.66m。73下06工作面煤層頂?shù)装逄卣饕姳?。從表1可以看出，73下06工作面直接頂平均厚度為5.75m，基本頂平均厚度為9.94m。直接頂普氏硬度為2～8，基本頂普氏強度為6～10，基本頂局部厚度較大且?guī)r性堅硬。

表1 煤層頂?shù)装鍫顩r表

1.3 定向水力致裂方案

根據(jù)工作面地質情況和現(xiàn)有施工條件，確定頂板巖層定向水力致裂鉆孔布置如下：沿73下06輔助運輸巷布置3個鉆孔S1、S2和S3，鉆孔直徑為48mm，長度為15m，開孔高度為3.8m，水平投影垂直于煤壁，鉆孔上仰60°。三個鉆孔S1、S2和S3分別距離開切眼處1446m、1461m、1476m，致裂鉆孔布置如圖2所示。

圖2 致裂鉆孔布置圖

1.4 定向水力致裂施工過程

在煤層頂板定向水力致裂現(xiàn)場試驗中，致裂施工過程如下：

1)施工鉆孔：按照致裂鉆孔的布置參數(shù)，施工致裂鉆孔。

2)切割預制裂縫：鉆孔施工到15m之后，退出孔中所有鉆桿，將鉆頭換成刀具，然后緩慢、勻速地向孔底運送刀具。在距離孔底0.5m時，改為低速推進并慢慢加快轉速，待刀具到達孔底之后，開啟供水沖孔并保持低壓推進、高速旋轉約2min進行切縫，在垂直于鉆孔方向切出一個環(huán)形裂縫，環(huán)形裂縫距離孔底約10cm。

3)定向水力致裂煤層頂板：切割預制裂縫后，退出孔中鉆桿和刀具，將高壓水力致裂導管和封孔器傳至12m孔深位置處，其封孔參數(shù)見表2。封孔器采用BIMBAR-4型，最大膨脹尺寸為52mm，大氣狀態(tài)下最大工作壓力為30MPa，孔徑為48mm時最大工作壓力約為36MPa。隨后，連接截止閥、壓力表等控制和觀測設備，開泵供液，注入高壓水。注入高壓水時，壓力逐漸上升，使封孔器膨脹，防止高壓水從鉆孔流出。加壓過程中，壓力會突然下降，說明預制裂縫張開，此時要保壓注水，使裂縫繼續(xù)擴張。致裂過程中，高壓管路中的壓力變化如圖3所示。從圖3中可以看出，在前3min范圍內，致裂壓力急速上升；當致裂時長約為3min時，致裂壓力達到最大值，為24～28MPa；隨后，致裂壓力迅速降低，表明裂縫開始張開并擴展；致裂約12min之后，致裂壓力開始平穩(wěn)變化，在11MPa上下波動；致裂時長為30min時，致裂過程結束。

4)退出孔中設備：致裂完成后，逐漸卸壓至零，拆除鉆孔內專用導管和封孔器。

表2 封孔參數(shù)表

圖3 致裂壓力變化曲線

2 監(jiān)測方案的設定

2.1 監(jiān)測原理

由巖體力學理論可知，煤層頂板處三向應力分為兩個部分：原巖應力和擾動應力。原巖應力也稱為初始應力，是煤層開采、水力致裂等人類工程活動發(fā)生之前就已經(jīng)存在于巖體中的應力，主要由自重應力與構造應力組成，對于一個特定位置而言，其大小及方向均保持不變。擾動應力也可稱為相對應力，是由采動活動、水力致裂等引起的應力，受開采方式、工作面位置、致裂工藝等因素的影響，其大小和方向均隨著工程活動而不斷變化。因此，頂板巖層三向真實應力σij可用下式表示：

巖體的失穩(wěn)、變形及破壞等與巖體三向真實應力有著緊密聯(lián)系，因此，監(jiān)測巖體三向真實應力尤為重要。由式(1)可知，巖體三向真實應力監(jiān)測可分為三步完成：第一步，測量巖體原巖應力；第二步，監(jiān)測巖體擾動應力；最后，將兩者進行疊加，計算巖體真實應力。

2.2 監(jiān)測儀器

由于電阻應變片式傳感器易受井下強電磁場干擾且長期穩(wěn)定性不佳，因此監(jiān)測儀器采用中國科學院武漢巖土力學研究所研發(fā)的光纖光柵三向應力傳感器，其可以測量得到鉆孔孔壁應變，由此計算得到巖體三向應力。

光纖光柵三向應力傳感器安裝過程簡述如下：①在監(jiān)測斷面施工直徑為130mm鉆孔，鉆孔深度不小于巷道半徑3～5倍；②在大孔底部施工直徑為38 mm小孔，小孔深度為30～50cm；③清潔小鉆孔，安裝傳感器；④進行套芯應力解除，測量原巖應力；⑤繼續(xù)施工直徑為38mm小鉆孔，深度為30～50cm；⑥再次安裝傳感器，不再進行應力解除，監(jiān)測擾動應力。

2.3 監(jiān)測斷面布置

在73下06輔助運輸巷布置一個監(jiān)測斷面，布置如下：在距開切眼1461m處，按照光纖光柵三向應力傳感器安裝過程，施工一個監(jiān)測鉆孔，監(jiān)測鉆孔布置如圖4所示。首先進行應力解除測量原巖應力，然后再次安裝傳感器進行擾動應力監(jiān)測，監(jiān)測鉆孔開孔高度為3m，水平投影垂直于煤壁，上仰30°，原巖應力測試深度為13.4m，擾動應力監(jiān)測深度為13.8m。

圖4 監(jiān)測鉆孔布置圖

3 監(jiān)測結果

3.1 原巖應力

在主坐標系下，測量得到的原巖應力見表3。從表3中可以看出，三個主應力均與水平面有一定的角度，說明頂板巖層受地質構造作用明顯。

表3 主坐標系下的原巖應力

注：應力以壓為正，方位角北起順時針為正，傾角從水平面向上為正。

以73下06工作面為基礎，建立工作面坐標系，如圖5所示，其中z軸為豎直方向，x軸為水平方向，平行于開采方向，y軸由右手準則確定。在工作面坐標系下，原巖應力見表4。

圖5 工作面坐標系

從表4中可以看出，水平應力較大，x、y軸兩水平方向的側壓系數(shù)分別約為0.90、1.12。

表4 工作面坐標系下的原巖應力

注：正應力以壓為正。

3.2 水力致裂后頂板巖層三向應力變化

按照施工方案，對煤層頂板進行定向水力致裂，分析致裂后的頂板巖層真實應力和擾動應力。

主坐標系下，監(jiān)測斷面處真實應力見表5。

表5 主坐標系下的真實應力

注：應力以壓為正，方位角北起順時針為正，傾角水平面向上為正。

從表5中可以看出，三個主應力依然均為壓應力。對比表5和表3可以發(fā)現(xiàn)，水力致裂之后，監(jiān)測斷面處三個主應力分別降低了約20%、9%、11%，而主應力的方位角與傾角變化很小。水力致裂能夠顯著降低或者轉移頂板巖層三向應力，對致裂部位具有良好的卸壓效果。

工作面坐標系下，監(jiān)測斷面處真實應力見表6。從表6中可以看出，豎直方向正應力較大，x、y軸兩水平方向的側壓系數(shù)分別約為0.93、0.90。

表6 工作面坐標系下的真實應力

注：正應力以壓為正。

工作面坐標系下，監(jiān)測斷面處擾動應力見表7。從表7中可以看出，監(jiān)測斷面處x、y、z方向的正應力增量均為拉應力，x、y、z方向正應力分別減小了約6%、27%、9%，水平方向正應力減小程度明顯大于豎直方向。

表7 工作面坐標系下的擾動應力

注：正應力以壓為正。

由于預制裂縫為垂直于鉆孔的環(huán)形裂縫，起始裂縫面為垂直于鉆孔軸線的環(huán)形面；同時，由于三個致裂孔沿x方向布置，結合現(xiàn)場觀測情況，推測最終致裂面的走向近似平行于x方向，傾角約為30°～40°。因為致裂面使巖層應力得到不同程度的釋放或者轉移，從表7中可以看出，各應力分量均有所減??；同時，因為致裂面近似平行于x方向且與水平面有一定夾角，致裂對x方向影響最小，x方向正應力降幅最小，而對y方向影響最大，y方向正應力降幅最大。

從上述結果可以看出，水力致裂可以使致裂部位處巖層應力顯著降低或者轉移，且各應力分量的降幅受致裂面方位的影響。

4 結 論

1)濟寧三號煤礦73下06工作面頂板巖層中原巖應力三個主應力大小分別為31.79MPa、20.85MPa、16.57MPa，三個主應力均與水平面有一定的角度，頂板巖層受地質構造作用明顯。

2)水力致裂之后，監(jiān)測斷面處頂板巖層三個主應力的方位角和傾角變化很小，而三個主應力均有所降低，最大降幅約為20%。水力致裂能夠顯著降低或者轉移頂板巖層三向應力，對致裂部位具有良好的卸壓效果。

3)水力致裂對頂板巖層各應力分量的影響程度不同，致裂部位處各應力分量的降幅受致裂面方位的影響。研究成果進一步驗證了水力致裂的卸壓效果，可為現(xiàn)場水力致裂鉆布置提供參考，并為沖擊地壓防治研究提供重要依據(jù)。