郭振波

（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 臨汾 041602）

1 工程概況

干河煤礦2#煤層埋深520 m，直接頂板為強(qiáng)度達(dá)57.32 MPa的細(xì)粒砂巖，屬典型的堅(jiān)硬頂板。目前在采的2-209 工作面與南部2-100 采空區(qū)之間留有25 m保護(hù)煤柱，2-209 工作面布置見圖1。在2-209 工作面準(zhǔn)備階段，2-2092 巷從掘到回采前均未發(fā)生較大的變形，當(dāng)工作面回采進(jìn)入到2-100 采空區(qū)影響范圍內(nèi)時(shí)，2-2092 巷超前工作面180 m左右在回采超前支承壓力與側(cè)向采空區(qū)支承壓力雙重作用下，開始出現(xiàn)明顯變形，2-2092 巷超前工作面60 m左右巷道底鼓量達(dá)1.2 m，嚴(yán)重影響行人，需要采取底鼓控制措施。

圖1 2-209 工作面布置

2 水力壓裂切頂卸壓技術(shù)［1］

煤巖體是典型的非均質(zhì)材料，其特性主要有：含節(jié)理、層理等結(jié)構(gòu)面，各向異性，含有原生裂隙，多孔，多尺度等。運(yùn)用彈性理論、以最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則分析應(yīng)力場影響下鉆孔內(nèi)裂縫開啟壓力［2］隨傾角、方位角變化而變化的規(guī)律時(shí)將煤巖體簡化為脆性的、各向同性、連續(xù)均質(zhì)的材料。

圖2 為鉆孔周圍應(yīng)力分解圖，（x，y，z）直角坐標(biāo)系用來表示遠(yuǎn)場地應(yīng)力；（r，θ，z）柱坐標(biāo)系用來表示鉆孔周邊的應(yīng)力狀態(tài)；θAz為鉆孔的方位角，最小、最大與垂直主應(yīng)力σh，σH和σv的方向與坐標(biāo)系中（1，2，3）方向相同；θ為x軸向z軸方向轉(zhuǎn)過的角度，θInc為鉆孔的傾斜角，rw為孔半徑，z軸為鉆孔的軸線方向。

坐標(biāo)系（1，2，3）與直角坐標(biāo)系（x，y，z）之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系為：

因此，遠(yuǎn)場地應(yīng)力分量（σh，σH，σv）可以用來表示（x，y，z）直角坐標(biāo)系中的地應(yīng)力分量：

式中：i，j=x，y，z；m，n=1，2，3；Aij，Amn分別為式（1）中變換系數(shù)矩陣中的對(duì)應(yīng)元素。

式（2）代入式（1）得：

（r，θ，z）柱坐標(biāo)系下傾斜鉆孔周圍的應(yīng)力表示為：

式中：p為水壓。

圖2 坐標(biāo)系

鉆孔孔壁應(yīng)力表示為：

結(jié)合圖3 對(duì)鉆孔孔壁的開裂條件進(jìn)行分析，孔壁上最大的拉應(yīng)力出現(xiàn)在孔壁θ-z切面內(nèi)，而孔壁的最大環(huán)向主應(yīng)力為且液體壓力p與σθ為函數(shù)關(guān)系，因此σmax是p的函數(shù)。在圖3所示孔壁上σmax會(huì)隨角度θ的變化而發(fā)生改變，根據(jù)最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則：當(dāng)孔壁處最大拉應(yīng)力達(dá)到巖石抗拉強(qiáng)度σt時(shí)，裂縫在孔壁處開裂，即：σmax=σt。

圖3 直角坐標(biāo)系下孔邊應(yīng)力場

3 水力壓裂參數(shù)研究

3.1 鉆孔布置參數(shù)的確定

圖4 為固定鉆孔方位角θAz=0°、45°、90°時(shí)，鉆孔傾斜角θInc從0°旋轉(zhuǎn)至90°的過程中，不同最大主應(yīng)力與中間主應(yīng)力比值下，無量綱化的裂縫起裂壓力pb/σv的變化規(guī)律。

圖4 θAz=0°、θAz=45°、θAz=90°時(shí)裂縫開啟壓力(pb/σv)隨傾角θInc 的變化規(guī)律

觀察圖發(fā)現(xiàn)：σH/σv=1.5 時(shí)，不同方位角下，最大主應(yīng)力與中間主應(yīng)力比值越大，裂縫的起裂壓力越小。由圖4（a）發(fā)現(xiàn)：當(dāng)方位角θAz=0°，σH/σh=1.7時(shí)，裂縫的起裂壓力基本不隨傾斜角θInc的增大而發(fā)生改變；當(dāng)σH/σh＞1.7 時(shí)，裂縫的起裂壓力隨傾斜角θInc的增大不斷增大并趨于穩(wěn)定； 觀察圖4（b）發(fā)現(xiàn)：當(dāng)方位角θAz=45°，σH/σh=1.7 時(shí)，裂縫的起裂壓力不隨傾斜角θInc的增大而發(fā)生較大的改變，當(dāng)σH/σh=1.8、1.9、2.0、2.1 時(shí)，裂縫的起裂壓力隨傾斜角θInc增大的變化趨勢基本相同； 觀察圖4（c）發(fā)現(xiàn)：當(dāng)方位角θAz=90°時(shí)，5 種σH/σh比值下裂縫的起裂壓力均隨傾斜角θInc增大而逐漸增大。

圖5 為固定鉆孔為水平鉆孔，鉆孔方位角θAz從0°旋轉(zhuǎn)至90°的過程中，不同最大主應(yīng)力與中間主應(yīng)力比值下，無量綱化的裂縫起裂壓力pb/σv的變化規(guī)律。

圖5 開裂壓力（pb/σv）隨方位角θAz 的變化規(guī)律

觀察圖5 可發(fā)現(xiàn)：固定鉆孔為水平鉆孔，σH/σh=1.7和1.8 時(shí)，裂縫的起裂壓力隨方位角θAz的增大的變化趨勢基本相同，裂縫最大起裂壓力分別為2.1 和2，最小起裂壓力分別為1.8 和1.65，隨著方位角的增大，裂縫起裂壓力達(dá)到峰值后緩慢下降；當(dāng)σH/σh=1.9 時(shí)，裂縫最大起裂壓力為1.85，最小起裂壓力為1.25，裂縫起裂壓力隨方位角增大在達(dá)到峰值后迅速下降；σH/σh=2.0 和2.1 時(shí)，裂縫的起裂壓力隨方位角θAz的增大的變化趨勢基本相同，裂縫最大起裂壓力分別為1.65 和1.55，最小起裂壓力分別為0.8 和0.7。

綜上：對(duì)于σHvh型構(gòu)造應(yīng)力場，開裂壓力隨鉆孔由垂直方向轉(zhuǎn)向水平方向呈逐漸增大趨勢；隨著σH/σh比值的增大，裂縫開啟壓力有減小趨勢；開裂壓力隨水平鉆孔方位角θAz從0°～90°增加呈先增大后減小的趨勢。通過圖4 及圖5 選取可使裂縫開啟所需壓力為最小值的最優(yōu)鉆孔參數(shù)，因此結(jié)合應(yīng)力場的具體情況及礦方設(shè)備參數(shù)，選取最優(yōu)鉆孔參數(shù)為：鉆孔傾角θInc為50°，鉆孔方位角θAz為90°。

干河煤礦地質(zhì)資料顯示，2#煤層覆巖第一層亞關(guān)鍵層厚度為6.4 m，第二層亞關(guān)鍵層厚度為12.6 m，第三層亞關(guān)鍵層厚度為21.5 m，第四層關(guān)鍵層為主關(guān)鍵層。前三層亞關(guān)鍵層厚度和為40.5 m，根據(jù)關(guān)鍵層理論并借鑒類似工程經(jīng)驗(yàn)［3］，結(jié)合上文選定的50°的最優(yōu)鉆孔傾角，最終確定2-2092 巷水力壓裂鉆孔的孔深為40.5 m，垂直深度31 m。

初步估算水力壓裂所產(chǎn)生的壓裂裂縫半長為400 mm，而兩個(gè)壓裂鉆孔孔間最佳理論距離B應(yīng)該為裂縫半長R的2 倍［4］，滿足公式B=2R，即合理的孔間距為800 mm，采用直徑為56 mm的鉆頭，進(jìn)行鉆孔的施工。

3.2 試驗(yàn)方案

本次鉆孔采取單巷雙側(cè)［5］的布置方式，從當(dāng)前工作面前方300 m開始布置水力壓裂鉆孔。本次設(shè)計(jì)水力壓裂試驗(yàn)巷道長240 m，在回采工作面前方150 m處設(shè)計(jì)孔深40.5 m的壓裂鉆孔共45 個(gè)，孔距8 m、仰角50°、方位角5°的S′鉆孔30 個(gè)，孔距16 m、仰角50°、方位角90°的S鉆孔15 個(gè)，鉆孔及布置見圖6。

圖6 水力壓裂鉆孔布置

3.3 試驗(yàn)效果分析

在工作面前方150～300 m范圍布置1 個(gè)未壓裂段巷道位移監(jiān)測站；在第一個(gè)鉆孔施工位置開始布置1 個(gè)壓裂段巷道位移監(jiān)測站，在回采過程中記錄壓裂段與未壓裂段內(nèi)各測站巷道表面位移量進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證水力壓裂切頂卸壓的效果。圖7（a）為回采過程中未壓裂段圍巖變形量，圖7（b）為回采過程中壓裂段圍巖變形量。

圖7 回采過程中未壓裂段與壓裂段圍巖變形變化曲線

對(duì)比分析圖7（a）與（b）發(fā)現(xiàn)：未壓裂段在工作面推進(jìn)至距監(jiān)測點(diǎn)80 m時(shí)，巷道圍巖變形量開始迅速升高，并且推進(jìn)至距測站10 m時(shí)，頂板下沉量、兩幫移近量、底鼓量分別為410 mm、1 080 mm、690 mm，變形量較大；而壓裂段工作面進(jìn)至距監(jiān)測點(diǎn)50 m時(shí)，圍巖變形量開始增大，并且推進(jìn)至距測站10 m時(shí)，頂板下沉量、兩幫移近量、底鼓量分別為200 mm、660 mm、280 mm，較非壓裂段的變形量分別縮小51.2%、38.9%、59.4%，水力壓裂卸壓效果明顯。

4 結(jié)語

水力壓裂技術(shù)是堅(jiān)硬頂板巷道切頂卸壓的手段。通過該項(xiàng)技術(shù)可以使堅(jiān)硬頂板的強(qiáng)度和整體性都有所下降，頂板能隨采及時(shí)垮落，并且降低周期來壓強(qiáng)度。通過理論分析和現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在水力壓裂參數(shù)為鉆孔間距800 mm、傾角θInc為50°、方位角θAz為90°和5°時(shí)進(jìn)行巷道超前卸壓的效果好，注水鉆孔內(nèi)注高壓水可使煤層堅(jiān)硬的頂板產(chǎn)生裂隙，達(dá)到圍巖卸壓的目的。圍巖變形測站監(jiān)測結(jié)果顯示，壓裂段的變形量控制在允許范圍內(nèi)，可使2-209 工作面安全順利回采。