劉少杰，馬國偉

(山西西山晉興能源有限責任公司 斜溝煤礦， 山西 呂梁 033602)

定向水力壓裂技術(shù)是波蘭開發(fā)的用于煤礦堅硬頂板控制及沖擊地壓防治的方法。我國最早使用該技術(shù)的是大同礦區(qū)，雖然取得的一定的效果，但由于鉆頭、切縫工具等存在較大問題，使得這項技術(shù)沒有得到大面積推廣[1-2]. 相對于爆破控頂技術(shù)，水力壓裂技術(shù)安全、成本低。近年來，定向水力壓裂技術(shù)的快速發(fā)展使其在煤礦得到了大規(guī)模的推廣和應用[3-5]，主要應用于工作面初次放頂和沖擊地壓防治等，在解決工作面回采時超前集中應力影響方面的應用較少。為解決斜溝煤礦采掘交鋒時，礦壓顯現(xiàn)強烈問題，在該礦18104工作面頂板實施了水力壓裂預裂頂板技術(shù)。

1 工程地質(zhì)概況

18104工作面煤層平均厚度5.19 m，直接頂為泥巖，平均厚度1.45 m，基本頂為砂巖，平均厚度11.07 m，煤層平均傾角為8.8°. 18106工作面和18104工作面相鄰，煤柱留設寬度為20 m. 當迎采巷道18106皮帶巷與18104回采工作面相遇時，迎采巷道受到兩次劇烈擾動，第一次為超前支承壓力的影響，第二次為采空區(qū)頂板彎曲下沉活動的影響。采掘交鋒后頂板的二次擾動，是造成巷道大變形的根本原因[6]. 因此，對頂板進行水力預裂，使懸跨的頂板及時垮落，以減少采動影響。

2 水力壓裂預裂頂板設計

2.1 RFPA2D-Flow數(shù)值模擬

水力壓裂切頂卸壓的原理是在指定巖層中施工鉆孔，然后在鉆孔中安裝高壓封隔器。當高壓泵啟動時，高壓水會通過管路進入該封隔器，首先促使封隔器兩端的膠囊膨脹，兩端封堵鉆孔。當壓力逐漸升高至10 MPa時，封隔器中間段的壓力單向閥會自動開啟，高壓水通過閥眼進入鉆孔。水壓力逐漸升高至巖層的極限強度時，孔壁開裂，破壞其完整性，弱化其力學性能，降低礦壓顯現(xiàn)。為研究雙孔水力壓裂煤體的增透范圍，利用RFPA2D-Flow軟件分別對孔間距L=7 m、10 m和15 m進行數(shù)值模擬分析，為現(xiàn)場水力壓裂方案設計提供依據(jù)。其中，施加壓力40 MPa，注入排量3 m3/min，壓裂時間30 min. 水力壓裂模型見圖1.

圖1 水力壓裂布控位置示意圖

模擬得出不同孔間距下煤體雙孔水力壓裂剪應力分布和聲發(fā)射特征，見圖2. 從圖2可以看出，隨著孔間距L的增大，孔間煤體的應力疊加作用和裂隙發(fā)育程度逐漸減弱，破裂難度增大。當L=7 m時，孔間煤體完全被破壞，裂隙發(fā)育程度和連通率最好，煤體得到充分卸壓，孔間聲發(fā)射分布非常密集，無任何空白區(qū)，增透性最好。當L=10 m時，孔間煤體基本被破壞，孔間聲發(fā)射分布比較密集，基本上未出現(xiàn)空白區(qū)，但存在局部應力集中帶，增透性較好。當L=15 m時，孔間煤體未被充分破壞，大部分區(qū)域裂隙未貫通，有較大區(qū)域應力集中帶，孔間聲發(fā)射未出現(xiàn)疊加現(xiàn)象，且存在大量空白區(qū)，增透性最差。

圖2 煤體破壞過程的應力演化及聲發(fā)射特征圖

綜上所述，可以確定18104工作面雙孔水力壓裂鉆孔卸壓增透半徑為7 m左右。

2.2 水力壓裂方案設計

為了減小18106掘進巷道迎18104回采動壓的影響，需要對18104材料巷頂板進行水力預裂，破壞其完整性，弱化其力學性能，促使其斷裂卸壓。水力壓裂預裂頂板示意圖見圖3.

圖3 水力壓裂預裂頂板示意圖

基于斜溝煤礦近幾年深孔爆破切頂卸壓技術(shù)實施經(jīng)驗，通過數(shù)值模擬機理分析，確立該次方案：在18104材料巷內(nèi)向上施工鉆孔，貼煤柱幫施工，開孔位置距幫300～500 mm，深度12 m，鉆孔間距7 m. 鉆孔施工貫穿堅硬頂板，長度為12 m，鉆孔d42 mm，采用配套小孔徑封隔器進行分段壓裂，12 m厚的基本頂分為5段壓裂。為充分壓裂，增大壓裂的破壞面積，促使裂縫的貫通程度增加，鉆孔采用單排布置。

3 井下工況試驗

以現(xiàn)場5#鉆孔實際水力壓裂過程為例，對5#孔實施了5段壓裂，壓裂情況見表1. 對5#鉆孔采用數(shù)字全景鉆孔窺視儀窺視，窺視圖見圖4，水力壓裂后2.10～2.66 m出現(xiàn)較為明顯的裂隙帶；導通裂隙主要在4～4.7 m、6～8.7 m、10～11 m發(fā)育，裂隙寬度為1～4 mm. 通過實施高壓注水的方式，鉆孔內(nèi)巖體受到高壓注水壓力作用，巖層淺處沿弱結(jié)構(gòu)面形成破碎帶，巖層深部沿弱節(jié)理結(jié)構(gòu)形成裂隙帶。

表1 5#鉆孔水力壓裂情況表

圖4 鉆孔窺視圖

4 效益分析

水力壓裂切頂卸壓技術(shù)和深孔預裂爆破切頂卸壓技術(shù)相比有以下優(yōu)勢：

1) 成本低。該技術(shù)單孔成本耗材費用僅為104元，和深孔爆破預裂技術(shù)成本耗材費用相比，節(jié)約了2/3，延米計算成本僅為1/8.

2) 工藝簡單，省時省力。水力壓裂切頂卸壓每7～10 m施工1個鉆孔，深孔爆破預裂切頂卸壓每0.8 m施工1個鉆孔，有效降低了預裂頂板鉆孔打設個數(shù)，單孔控制范圍大，并且不干擾工作面正常生產(chǎn)及周邊工程正常施工，提高了工作效率。

3) 切縫效果更加明顯。根據(jù)兩種技術(shù)方案窺視影像，可明顯看出水力壓裂切縫更加清晰完整，孔壁開裂效果好，水壓裂縫沿著豎向擴展延伸，切斷厚硬的中粗粒砂巖層，促使其及時斷裂垮落。同時，18106掘進巷道圍巖穩(wěn)定周期由7～16天縮短至一周以內(nèi)，達到預期效果。

5 結(jié) 論

水力壓裂切頂卸壓技術(shù)在斜溝煤礦的使用表明，相鄰預裂孔裂隙發(fā)育、導通明顯，頂板淋水強烈；材料巷端頭采空區(qū)基本頂及時垮落，有效解決了端頭基本頂懸頂問題，在降低成本，提高作業(yè)安全系數(shù)的同時減輕了工人勞動強度，提高了工作效率，為斜溝煤礦減人提效創(chuàng)造了有利條件，為建設安全高效的智能化示范礦井奠定了基礎。