蘇 波

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

神府礦區(qū)煤層多為淺埋深條件，頂板的特點(diǎn)往往為巖石強(qiáng)度高、節(jié)理裂隙不發(fā)育、厚度大、整體性強(qiáng)、且自承能力強(qiáng)[1]，煤層開采后難以及時(shí)垮落，易于形成懸頂，周期來壓步距較大，工作面液壓支架有強(qiáng)烈的高阻力顯現(xiàn)，輕則造成支架安全閥開啟頻繁，重則支架被壓壞，嚴(yán)重影響生產(chǎn)組織和人身安全。以往懸頂問題多數(shù)采用架間向采空區(qū)或工作面巷道向工作面打眼爆破的方式來弱化工作面淺部頂板，從而達(dá)到頂板及時(shí)垮落目的[2，3]，但用該方式處理工作面頂板存在以下問題：放炮前需要拉警戒線，撤離下風(fēng)側(cè)所有人員，影響正常生產(chǎn)組織；放炮后釋放大量有毒有害氣體且爆破對工作面設(shè)備產(chǎn)生較大沖擊，安全隱患較大；炮眼深度較淺一般都小于10m，難以達(dá)到對深部頂板應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行有效卸壓的目的。

定向水力壓裂技術(shù)為該條件頂板弱化提供了有效手段。該方法最初運(yùn)用到油氣井增透方面，后來從波蘭煤炭科學(xué)院沖擊地壓與巖石力學(xué)研究所引入到我國煤礦行業(yè)[4，5]，起初運(yùn)用到我國煤礦井下低滲透性高瓦斯礦井增透方面，近些年我國諸多科研院校在水力壓裂對頂板的作用機(jī)理及效果監(jiān)測方面做了大量工作[6-11]，并將研究成果廣泛的運(yùn)用到煤礦井下切眼頂板弱化[12，13]、工作面巷道頂板高應(yīng)力區(qū)卸壓[14-17]和防沖治理[18，19]等方面，研究成果已在神華、中煤、華電、潞安、晉煤、陜煤化等諸多煤企得到廣泛應(yīng)用，取得良好的安全和和經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程概況

1.1 工作面頂板條件

榆林楊伙盤煤礦位于神府礦區(qū)東南部新民開采區(qū)，地處神府兩縣交界處的神木縣店塔鎮(zhèn)楊伙盤村，采用綜合機(jī)械化采煤方法，全部垮落法管理頂板。20104工作面水文地質(zhì)條件簡單，上覆基巖厚度為75～126m，松散層厚度0～75m。工作面標(biāo)高為1109.91～1132.08m，地面標(biāo)高為1154～1256m，工作面傾向長度237.75m，工作面及巷道布置如圖1所示。煤層平均厚度為2.4m，煤層傾角 0°～2°，不含夾矸，厚度穩(wěn)定，為中厚煤層，煤層頂?shù)装逄卣饕姳?。

圖1 工作面及巷道布置

1.2 強(qiáng)礦壓問題分析及解決思路

當(dāng)工作面推采至距切眼約210m位置時(shí)，20#—70#支架所受工作阻力普遍較大，安全閥頻繁開啟，其中，30#—50#支架范圍為受力高峰區(qū)域，立柱下沉明顯，工作面推采困難，每日僅推進(jìn)4～5刀。分析其主要原因如下：

表1 煤層頂?shù)装逄卣?/p>

1)從工作面概況、煤層頂板巖性分析，20104工作面上覆直接頂和老頂巖體強(qiáng)度高，完整性好且厚度較大，屬于不易垮落頂板。

2)20104工作面兩端為采空區(qū)的孤島工作面，工作面受采空區(qū)側(cè)向支承壓力的影響，與工作面超前支承壓力疊加，導(dǎo)致該工作面頂板管理難度加大。

3)因20104工作面煤層距地表僅有120m左右，當(dāng)架后懸頂面積較大時(shí)，易造成工作面到地表的巖層及表土層的整體切落，上覆巖層失穩(wěn)導(dǎo)致其重量全部施加在工作面支架上，導(dǎo)致工作面支架壓力急劇增加，安全閥開啟，立柱下沉嚴(yán)重，從地表沉陷情況可以印證這一點(diǎn)，其屬于典型的強(qiáng)動(dòng)壓淺埋工作面的特點(diǎn)。

針對上述問題，在考慮不影響工作面正常推采的情況下，擬在工作面巷道內(nèi)采用定向水力壓裂技術(shù)，解決以下兩個(gè)問題：①破壞工作面頂板巖層，以縮短周期來壓步距，從而減小周期來壓對工作面支架的影響；②實(shí)現(xiàn)高應(yīng)力的轉(zhuǎn)移，將高應(yīng)力轉(zhuǎn)到遠(yuǎn)離直接頂?shù)膸r層深部，從而達(dá)到卸壓目的，保證支架工況處于合理的受力狀態(tài)，使工作面能夠安全推采。

2 定向水力壓裂原理

孔壁定向壓裂是基于彈性理論，以任意方向鉆孔周圍的應(yīng)力場為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則分析任意方向鉆孔的開裂壓力及開裂方向，得出了裂縫開啟壓力隨鉆孔參數(shù)(方位角，傾斜角)和地應(yīng)力場類型的變化規(guī)律，據(jù)此設(shè)計(jì)壓裂鉆孔參數(shù)與壓裂作業(yè)，如圖2所示。

圖2 鉆孔坐標(biāo)與主應(yīng)力分布

鉆孔壁最大拉應(yīng)力：

開裂條件：

σmax=σt

開裂位置：

式中，θ為x軸沿z軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)過的角度，(°)；σt為巖石抗拉強(qiáng)度，MPa；σθz和σz分別為θ=θf處的應(yīng)力值，MPa；σθ為液體壓力p的函數(shù)。

定向水力壓裂施工工藝：通過現(xiàn)場打鉆施工時(shí)揭露的不同層位巖性情況結(jié)合鉆孔柱狀圖綜合分析，選取合適的層位和壓裂位置，利用高壓水射流對選取段的巖體進(jìn)行定向切槽，控制合適的層位和給定方向，采用跨式膨脹性封孔器對切槽位置進(jìn)行封閉，對封閉處的巖體進(jìn)行高壓水加壓，高壓水沿著預(yù)制裂隙尖端處向巖體深處延伸擴(kuò)展，并與原生裂隙貫通，如圖3所示，其擴(kuò)展方向及長度與水壓、流量、地應(yīng)力的大小及方向和巖石的彈性參數(shù)及斷裂韌度有關(guān)。

圖3 定向水力壓裂示意圖

在同一鉆孔內(nèi)，選取不同位置至上而下依次進(jìn)行壓裂，產(chǎn)生不同層位的多條裂紋，在超前支承壓力作用下裂紋貫通，形成裂紋網(wǎng)絡(luò)，人為破壞直接頂和下位老頂?shù)耐暾裕淖児ぷ髅嫔细矌r層的受力環(huán)境，將工作面頂板處的高應(yīng)力向巖體深處或低應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到初期頂板卸壓目的，保證支架處于合理的受力狀態(tài)，工作面正常推采。

3 定向水力壓裂現(xiàn)場施工

3.1 定向水力壓裂卸壓方案

由于工作面20#—70#支架所受工作阻力較大，且30#—50#支架范圍為受力高峰區(qū)域，立柱下沉明顯，工作面推采困難，考慮到現(xiàn)場實(shí)際情況，為了保證卸壓效果及施工的連續(xù)性，將施工地點(diǎn)選定距20104運(yùn)輸巷30m處的20104中巷內(nèi)，在距工作面超前20m位置連續(xù)施工200m，考慮到工作面高應(yīng)力區(qū)集中在中上部，故高低位兩種壓裂孔深度分別設(shè)計(jì)為50m和40m，壓裂范圍為25#—51#架之間頂板，20104工作面水力壓裂卸壓鉆孔布置如圖4所示。通過對現(xiàn)場及周邊環(huán)境的調(diào)研結(jié)合煤巖層厚度、圍巖結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度、地應(yīng)力大小和方向等參數(shù)，得出了水力壓裂鉆孔的深度、角度、排距、裂紋起縫壓力、擴(kuò)展壓力等參數(shù)。

圖4 20104工作面水力壓裂卸壓鉆孔布置

3.2 壓裂鉆孔施工

按照設(shè)計(jì)方案要求，打鉆時(shí)高低位鉆孔交替施工，壓裂時(shí)先壓低位孔再壓高位孔，當(dāng)壓裂鉆孔時(shí)，鉆孔周邊兩側(cè)及頂板部分錨桿(索)孔有水流出，有的出水點(diǎn)距壓裂地點(diǎn)較遠(yuǎn)，說明高壓水使巖體內(nèi)部產(chǎn)生裂隙相互貫通，有較遠(yuǎn)的擴(kuò)散半徑，人為的破壞了頂板的完整性。

為了準(zhǔn)確記錄壓裂效果，采用水壓監(jiān)測記錄儀進(jìn)行水力壓裂實(shí)時(shí)監(jiān)測，每4s采集一次數(shù)據(jù)，每個(gè)位置壓裂時(shí)間依據(jù)現(xiàn)場情況而定，一般約30min，選取典型曲線(2019年5月27日8：30-23：30)進(jìn)行說明，水力壓裂實(shí)時(shí)監(jiān)測曲線如圖5所示。

圖5 水力壓裂實(shí)時(shí)監(jiān)測曲線

高壓水在預(yù)制裂縫的尖端達(dá)到起縫壓力后，尖端開始出現(xiàn)裂縫，并在擴(kuò)展壓力的作用下裂紋開始向外延伸、分叉，擴(kuò)展，從圖5壓力曲線可以讀出裂縫的起縫壓力和擴(kuò)展壓力。由于壓裂位置是分段移動(dòng)的，所以壓裂曲線呈現(xiàn)分段狀，水壓值多集中分布在10～12MPa之間，巖體較為均質(zhì)完整，裂隙不太發(fā)育，裂紋呈鋸齒狀向遠(yuǎn)方擴(kuò)展。

從圖5中可以看出，區(qū)域A曲線數(shù)值突然升高，約5min后回落，說明裂隙在擴(kuò)散過程中，遇到堅(jiān)硬結(jié)核或者滲透性有變化巖體導(dǎo)致的，在高壓泵的推進(jìn)下，裂隙要想延伸的更遠(yuǎn)，必須需要更大的壓力來克服巖體強(qiáng)度，所以出現(xiàn)曲線突然增高的情況，當(dāng)通過該變化區(qū)域后，水壓又降低至正常水平；在區(qū)域B位置壓裂，水壓值起伏較大，可能是由于裂縫擴(kuò)展過程中遇到了原生裂隙或結(jié)構(gòu)面所致，或是由于局部地應(yīng)力場發(fā)生變化引起的，該位置的巖體強(qiáng)度較高；區(qū)域C中三個(gè)不同位置的壓裂值基本一致，說明該段巖體相對均質(zhì)、完整，裂紋可以在相對穩(wěn)定的壓力下向遠(yuǎn)處擴(kuò)展。

4 卸壓效果分析

4.1 頂板垮落步距分析

卸壓之前20104工作面施工前周期來壓步距約為25m。在壓裂施工結(jié)束后，垮落步距約為15m，架后頂板垮落較為及時(shí)，支架受力明顯減弱，工作面推進(jìn)度顯著加快，基本不存在冒頂片幫現(xiàn)象，說明壓裂裂縫擴(kuò)散范圍已達(dá)到切眼及周邊相當(dāng)大的區(qū)域，在工作面頂板已形成卸壓區(qū)，改變了上覆巖層的應(yīng)力環(huán)境。

4.2 支架工作阻力分析

20104工作面支架額定工作阻力為7000kN，該工作面安裝有KJ21壓力監(jiān)測系統(tǒng)，每10架安裝一組壓力監(jiān)測傳感器，整個(gè)工作面共安設(shè)14組。為了能夠清楚的表現(xiàn)出壓裂前后工作面支架受力及變化情況，對工作面支架所受工作阻力值進(jìn)行了區(qū)間劃分，以直方圖的形式呈現(xiàn)，如圖6所示。劃分具體方法是：將工作阻力值分為低、中和高三個(gè)檔，再分別統(tǒng)計(jì)14組壓力傳感器受力在各區(qū)間段所占百分比。從圖6可以得出：

圖6 支架工作阻力頻率分布

1)壓裂前工作面中上部高阻力區(qū)占比較大，與現(xiàn)場實(shí)際情況較吻合，壓裂后該區(qū)間的高阻力區(qū)占比明顯降低，說明采用水力壓裂技術(shù)后改變了工作面頂板的應(yīng)力環(huán)境，高應(yīng)力區(qū)下降至正常區(qū)間，避免工作面局部受力過大，使工作面支架受力更加合理，實(shí)現(xiàn)了工作面頂板卸壓的目的。

2)壓裂前分布在0～3000kN的支架工作阻力頻率為42.8%，分布在3000～5000kN的支架工作阻力頻率為21.3%，分布在5000～7000kN的支架工作阻力頻率為36%，其中低工作阻力區(qū)占比偏高，表明支架未能充分發(fā)揮作用，利用率偏低，高工作阻力區(qū)占比也偏高，表明支架長期高負(fù)荷工作，損壞機(jī)率較大，而正常工作阻力區(qū)偏低。但在壓裂后的支架工作阻力分布頻率有了明顯變化，支架工作阻力分布直方圖大致成正態(tài)分布，工作阻力主要分布在3000～5000kN，呈現(xiàn)出中間高兩邊低的合理形態(tài)，說明支架工作狀態(tài)比較理想，支架的支護(hù)能力能夠滿足工作面支護(hù)要求。

5 結(jié) 論

1)楊伙盤煤礦20104工作面壓裂施工前周期來壓步距約為25m，壓裂施工后周期來壓步距縮短為15m，架后頂板垮落較為及時(shí)，支架壓力明顯減小。

2)水力壓裂施工改變了工作面上覆巖層的應(yīng)力環(huán)境，將高應(yīng)力區(qū)域降至正常水平，整個(gè)工作面支架高工作阻力區(qū)占比降低，有效發(fā)揮了支架對頂板的支撐作用，提高了工作面管理水平。

3)定向水力壓裂技術(shù)是一種安全、高效、綠色的控制強(qiáng)動(dòng)壓淺埋工作面頂板的有效卸壓手段，有著明顯的技術(shù)和安全優(yōu)勢，為處理類似問題提供了借鑒，有廣闊的發(fā)展前景。