曹秀龍，趙利安

(1.山西霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

水力壓裂技術(shù)的歷史可以追溯到20世紀(jì)40年代，但直到2003年，國(guó)外公司才在油氣開(kāi)發(fā)中開(kāi)始大規(guī)模使用水力壓裂技術(shù)[1，2]。20世紀(jì)70年代，這種技術(shù)被引入煤礦生產(chǎn)中，用于防治瓦斯突出[3]。近年來(lái)，隨著我國(guó)煤炭開(kāi)采逐漸向深部轉(zhuǎn)移，井下采掘場(chǎng)所的圍巖壓力和瓦斯涌出量越來(lái)越大，水力壓裂技術(shù)在煤礦井下采場(chǎng)上覆堅(jiān)硬頂板和煤礦瓦斯治理方面的應(yīng)用越來(lái)越多。在煤礦，水力壓裂主要用于煤層氣水力壓裂增產(chǎn)[4-7]，采場(chǎng)頂板壓裂降低來(lái)壓步距和工作面支架工作阻力[8-10]和巷道堅(jiān)硬頂板卸壓等方面。楊健[11]對(duì)王坡煤礦3314運(yùn)輸巷水力壓裂鉆孔相關(guān)施工參數(shù)進(jìn)行確定，并進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。高佳永[12]采用FLAC3D摩爾-庫(kù)倫模型進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果具有一定可靠性。杜江濤[13]針對(duì)霍州某礦工作面上隅角懸頂面積過(guò)大以及回采巷道超前段動(dòng)壓劇烈的問(wèn)題進(jìn)行了水力壓裂設(shè)計(jì)和工業(yè)試驗(yàn)，結(jié)果表明水力壓裂取得了良好的效果。這些研究促進(jìn)了水力壓裂在巷道支護(hù)及控制上的應(yīng)用。

1 工程背景

霍州煤電集團(tuán)有限公司干河煤礦開(kāi)采的2#煤層埋藏較深，埋藏深度超過(guò)500m，煤層厚度1.91～4.3m，平均厚度3.9m，采高3.9m，煤層傾角1°～11°，平均5°，走向長(zhǎng)度2160m，傾斜長(zhǎng)度183m。其2-209工作面位于+80水平二采區(qū)右翼，工作面東北為井田邊界，西南毗鄰二采區(qū)回風(fēng)巷，西北側(cè)為實(shí)體煤，2-100工作面采空區(qū)位于其東南側(cè)，2-209工作面如圖1所示。工作面采用單一走向長(zhǎng)壁采煤方法，采用綜合機(jī)械化采煤工藝，頂板處理采用全部垮落法。

圖1 2-209工作面位置

2-209工作面臨近采空區(qū)側(cè)巷道在本工作面回采時(shí)超前維護(hù)長(zhǎng)度普遍超過(guò)100m，而且巷道頂?shù)装逡平砍^(guò)1.0m，兩幫回縮量超過(guò)1.0m，底板劇烈鼓起，巷道超前支護(hù)段維護(hù)和返修工程量巨大，甚至出現(xiàn)個(gè)別工作面提前終止結(jié)束回采等問(wèn)題。盡管回采過(guò)程中2-2092巷采用4排單體液壓支護(hù)配合π梁加強(qiáng)支護(hù)，但巷道變形破壞仍然相當(dāng)嚴(yán)重，巷道起底工作量和超前維護(hù)量巨大，嚴(yán)重阻礙2-209工作面安全高效回采。為了更好地控制2-209工作面超前應(yīng)力，進(jìn)行了水力壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)和工業(yè)試驗(yàn)。

2 水力切頂卸壓方案參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 水力切頂卸壓原理

2-100工作面已回采完畢，其采空區(qū)會(huì)在2-2092巷方向頂板形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力集中都會(huì)使2-2092巷圍巖應(yīng)力增加，由于該臨空動(dòng)壓的影響，2-209回采工作面超前段巷道變形量大，增加了維護(hù)難度。而水力切頂卸壓的關(guān)鍵就是將臨空側(cè)煤柱上方懸臂梁切落，以減小懸臂梁上覆荷載及回轉(zhuǎn)變形，切斷或大大削弱巖梁傳遞到護(hù)巷煤柱和留設(shè)巷道內(nèi)的荷載，從根本上降低懸臂梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力集中，降低巷道圍巖應(yīng)力，使巷道圍巖應(yīng)力處于圍巖流變擾動(dòng)閾值以下，從而達(dá)到控制巷道變形量的目的[15]。

臨近工作面采空在側(cè)向形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是巷道受側(cè)向采動(dòng)影響的關(guān)鍵，側(cè)向采動(dòng)卸壓機(jī)理是破壞此懸臂梁結(jié)構(gòu)，在巷道頂板附近形成破碎帶，使煤柱上方的巖層由“固支”變?yōu)椤昂?jiǎn)支”，降低煤柱上方頂板向下傳遞的應(yīng)力值，從而減少巷道應(yīng)力集中。

由于煤柱寬度為25m，寬度較大，煤柱垂直應(yīng)力分布呈不對(duì)稱馬鞍形，采空區(qū)一側(cè)應(yīng)力較大，如圖2所示。采動(dòng)水力壓裂切頂后，能夠降低靠近2-209巷煤柱側(cè)的應(yīng)力。

圖2 壓裂切頂對(duì)煤柱上應(yīng)力變化情況

2.2 壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 鉆孔布置

試驗(yàn)巷道長(zhǎng)度215m(終采線以里215m)，2-2092巷切頂卸壓鉆孔布置如圖3所示。布置2種鉆孔，分別為鉆孔S和鉆孔S′，壓裂鉆孔布置剖面如圖4所示。壓裂鉆孔施工采用ZDY1200S鉆機(jī)及配套鉆機(jī)平臺(tái)，鉆桿直徑42mm，配套直徑56mm的鉆頭。試驗(yàn)巷道內(nèi)共計(jì)施工鉆孔45個(gè)，其中壓裂鉆孔42個(gè)。

圖3 2-2092巷切頂卸壓鉆孔布置方式

圖4 2-2092巷壓裂鉆孔布置(m)

煤層上覆巖層各層載荷計(jì)算結(jié)果表明，切頂關(guān)鍵層為第9層(細(xì)粒砂巖，厚度4.8m)。通過(guò)估算可知，2#煤層距離關(guān)鍵層距離為30m，又考慮到鉆機(jī)打鉆最大仰角為50°，從而確定鉆孔長(zhǎng)度至少應(yīng)為40m，以便水力破斷關(guān)鍵層，考慮裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的濾失、變向及多裂縫擴(kuò)展，并考慮一定的富裕系數(shù)，確定高壓注水泵的壓力為62MPa，流量為80L/min。

如圖4(a)所示，壓裂鉆孔S距離巷道左幫(煤壁幫)1.5～2.5m，鉆孔長(zhǎng)度40.5m，初期孔間距為16m，后期調(diào)整孔間距為10m，水平方向與巷道走向夾角90°，仰角為50°；如圖4(b)所示，壓裂鉆孔S′距離巷道右?guī)?煤柱幫)1.0～2.5m，鉆孔長(zhǎng)度40.5m，初期孔間距煤柱側(cè)為8m，后期調(diào)整孔間距為10m，水平方向與巷道走向夾角5°～10°，仰角為50°。

2.2.2 鉆孔壓裂步驟及主要構(gòu)成

頂板水力壓裂包括封孔、高壓水壓裂、保壓注水三項(xiàng)主要工序，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(chǔ)能器、手動(dòng)泵、手動(dòng)泵壓力表、快速連接的高壓供水膠管、封孔器。水力壓裂系統(tǒng)構(gòu)成如圖5所示[16]。

1—靜壓水進(jìn)水管路；2—高壓水泵；3—水泵壓力表；4—流量計(jì)；5—手動(dòng)泵；6—快速連接的高壓供水膠管；7—手動(dòng)泵壓力表；8—水壓儀；9—接頭；10—注水鋼管；11—樹(shù)脂管；12—儲(chǔ)存壓裂介質(zhì)水和油的儲(chǔ)能器；13—封孔器；14—壓裂鋼管(管壁打孔)；15—預(yù)裂縫(必要時(shí))；16—下封孔器注水管；17—水力壓裂鉆孔圖5 水力壓裂系統(tǒng)構(gòu)成

采用單孔后退式多次壓裂方式[17]，每隔3m壓裂一次，單孔壓裂次數(shù)10～13次(次數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整)。為了安全起見(jiàn)，距離距孔口10m左右停止壓裂。若壓裂過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)頂板出現(xiàn)大面積出水或者異常響聲，就應(yīng)及時(shí)停止壓裂。

2.2.3 鉆孔壓裂流程

水力壓裂流程為：接封孔器→接注水管→接通高壓水泵→封孔器加壓→開(kāi)高壓泵，注水壓裂→壓裂30min或相鄰孔出水后停泵→封孔器泄壓→交替壓裂其他孔或退下2m開(kāi)始第二段壓裂→開(kāi)啟循環(huán)壓裂過(guò)程直至退至13m。

3 水力壓裂施工效果對(duì)比分析

此處通過(guò)對(duì)比非壓裂卸壓段的3個(gè)測(cè)站和壓裂卸壓段的1#—10#測(cè)站的底鼓量、頂板下沉量和兩幫移近量，來(lái)分析所采用的水力壓裂卸壓技術(shù)的使用效果。

3.1 底鼓量對(duì)比分析

非壓裂段內(nèi)A、B和C三個(gè)測(cè)站的底鼓量變化曲線如圖6所示，由圖6可知，超前工作面150m處發(fā)生底鼓現(xiàn)象，從超前100m明顯增加，超前50m底鼓急劇增加，三個(gè)測(cè)站最終底鼓量分別為0.52m、0.68m和0.72m。

圖6 A、B和C三個(gè)測(cè)站底鼓量變化曲線

壓裂卸壓段內(nèi)1#—10#測(cè)站的底鼓量變化監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，個(gè)別測(cè)站超前150m既出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，但在超前150m到超前50m范圍內(nèi)底鼓變形變化不大，直至超前工作面15～20m距離，2#—10#測(cè)站底鼓量才急劇增加。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用水力壓裂技術(shù)后，底鼓量較非壓裂卸壓段大幅度降低，在0.17～0.32m之間。

3.2 頂板下沉量對(duì)比分析

非壓裂段內(nèi)A、B和C三個(gè)測(cè)站的頂板下沉量變化曲線如圖7所示，由圖7可知，超前工作面距離150m即有頂板下沉現(xiàn)象，從超前100m開(kāi)始明顯增加，三個(gè)測(cè)站最終下沉量分別為0.43m、0.42m和0.26m。

圖7 A、B和C三個(gè)測(cè)站頂板下沉量變化曲線

壓裂卸壓段內(nèi)1#—10#測(cè)站的頂板下沉量變化監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，個(gè)別測(cè)站超前150m既出現(xiàn)頂板下沉現(xiàn)象，且下沉量在超前150m到超前50m范圍內(nèi)變化不大。直至超前工作面15～20m，2#—10#測(cè)站頂板下沉量才急劇增加。最終頂板下沉量為0.085～0.25m，較非壓裂卸壓段大大降低。

3.3 兩幫移近量對(duì)比分析

為非壓裂段內(nèi)A、B和C三個(gè)測(cè)站的兩幫移近量變化曲線如圖8所示，由圖8可知，超前工作面200m即有兩幫移近現(xiàn)象，從超前100m明顯增加，三個(gè)測(cè)站最終兩幫移近量分別為1.16m、1.16m和1.03m。

圖8 A、B和C三個(gè)測(cè)站兩幫移近量變化曲線

壓裂卸壓段內(nèi)1#—10#測(cè)站的兩幫移近量變化監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，個(gè)別測(cè)站超前200m即出現(xiàn)兩幫移近現(xiàn)象，但在超前150m到超前50m范圍內(nèi)變化不大，直至超前工作面50m才急劇增加。最終移近量較非壓裂卸壓段有大幅降低，在0.465～0.87m之間。

上述水力壓裂技術(shù)還在控制2-118D1巷掘進(jìn)(2-118D工作面回采)期間巷道的變形量方面進(jìn)行檢驗(yàn)和應(yīng)用。該試驗(yàn)巷道長(zhǎng)度360m。設(shè)計(jì)鉆孔1排，鉆孔仰角為50°，與巷道長(zhǎng)軸線成3°～5°角度；施工鉆孔共計(jì)36個(gè)，鉆孔間距10m左右，鉆孔深度為50m，垂直深度38m。檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用水力壓裂技術(shù)后，2-118D1巷在采掘期間，巷道收縮變形量較小，底板底鼓量0.06～0.33m，頂板下沉量0.03～0.11m，兩幫移近量0.14～0.5m?？梢?jiàn)，采用水力壓裂技術(shù)，避免了2-118D1巷回縮嚴(yán)重影響掘進(jìn)、回采的問(wèn)題，達(dá)到了預(yù)期的不影響回采、不再二次維護(hù)巷道的目的，也解決了該采空區(qū)對(duì)鄰近巷道產(chǎn)生的動(dòng)壓影響的問(wèn)題。采用該技術(shù)還可實(shí)現(xiàn)鄰巷在卸壓區(qū)域內(nèi)煤柱側(cè)幫無(wú)需采用幫錨索支護(hù)，降低了巷道支護(hù)難度，節(jié)約了支護(hù)成本，優(yōu)化了礦井采掘銜接，保障了礦井正常生產(chǎn)組織。

4 結(jié) 語(yǔ)

為了解決干河煤礦2-2092巷變形嚴(yán)重，超前維護(hù)量大的問(wèn)題，對(duì)水力壓裂有關(guān)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析結(jié)果表明：采用水力壓裂切頂技術(shù)后，解決了臨空動(dòng)壓影響帶來(lái)的回采工作面超前段巷道變形量大的難題，巷道的底鼓量、頂板底板和兩幫移近量大幅降低，節(jié)約了支護(hù)成本，優(yōu)化了采掘銜接。