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        寺家莊煤業(yè)15117工作面水力壓裂切頂卸壓技術(shù)實(shí)踐

        2021-10-11 07:06:12郝曉東
        2021年10期
        關(guān)鍵詞:懸頂切頂單側(cè)

        郝曉東

        (潞安化工集團(tuán) 寺家莊公司,山西 晉中 045300)

        1 工程概況

        山西陽煤寺家莊公司15117工作面井下位于中央盤區(qū),工作面南部為中央盤區(qū)準(zhǔn)備大巷,西部、東部及北部均為未采工作面,工作面走向長度1 778 m,傾斜長度220 m,開采15號煤層,煤層厚度為3.1~8.0 m,平均厚度為5.4 m,平均傾角6°,一般含矸2~3層,夾矸厚度為0.05~0.3 m。煤層頂板巖層為砂質(zhì)泥巖和粉砂巖,底板巖層為砂質(zhì)泥巖。15117工作面進(jìn)風(fēng)巷采用沿空留墻技術(shù),即在巷道掘進(jìn)期間構(gòu)筑1條混凝土墻體,下一區(qū)段工作面沿著混凝土墻體掘進(jìn),以此實(shí)現(xiàn)工作面無煤柱開采。由于15號煤層的直接頂和基本頂巖層厚度較大且較為堅(jiān)硬,因此為保障沿空留墻作業(yè)的順利進(jìn)行,采用水力壓裂切頂卸壓技術(shù)壓裂煤層頂板,使得垮落的頂板盡量充滿采空區(qū),以緩解工作面周邊壓力。

        2 水力壓裂切頂卸壓技術(shù)

        2.1 水力壓裂技術(shù)原理

        水力切頂卸壓技術(shù)主要是通過水力壓裂的方式對頂板巖層進(jìn)行定向壓裂,通過水力壓裂達(dá)到破壞頂板巖層完整性的目的,進(jìn)而充分削弱頂板的整體性及強(qiáng)度,使得采空區(qū)實(shí)現(xiàn)分層垮落的目的,以此降低堅(jiān)硬頂板難以垮落的難度,縮短工作面的初次和周期來壓步距[1-2]。

        采用水力壓裂進(jìn)行切頂及弱化頂板圍巖時,工作面兩側(cè)弧形三角板的懸臂長度會在一定程度上減少,通過水力壓裂實(shí)現(xiàn)切斷采動應(yīng)力向進(jìn)風(fēng)巷側(cè)傳遞,使得采空區(qū)頂板能夠及時垮落并有效限制頂板覆巖大結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)下沉,緩解留巷帶來的來壓效應(yīng),從而有效減緩應(yīng)力集中現(xiàn)象,具體水力壓裂切頂卸壓前后應(yīng)力分布特征如圖1所示。

        圖1 水力壓裂前后應(yīng)力分布特征

        水力壓裂鉆孔的布置主要有單側(cè)和雙側(cè)兩種,鉆孔的布置形式主要由工作面的長度及鉆機(jī)的能力決定。工作面水力壓裂采用單側(cè)鉆孔布置時,壓裂鉆孔僅需要在一側(cè)施工,鉆孔施工量較小,但壓裂鉆孔的施工長度會較大,因此對于鉆機(jī)、鉆孔的直度和彎曲度要求會較高。工作面水力壓裂采用雙向鉆孔布置時,施工鉆孔的位置不高,鉆孔易于施工,雙側(cè)壓裂實(shí)施時能夠?qū)崿F(xiàn)均勻的頂板弱化,雙向鉆孔中的封孔器較短,易于施工[3-4],具體水力壓裂單側(cè)和雙側(cè)鉆孔布置形式如圖2所示。水力壓裂的效果主要與頂板的水力壓裂高度有關(guān),當(dāng)壓裂高度離巷道頂板太近或太遠(yuǎn)時均不利于頂板的垮落,壓裂區(qū)域應(yīng)距離巷道頂板5 m以上或者支護(hù)體以上,壓裂后的頂板才會利于回采圍巖控制。

        圖2 頂板單側(cè)和雙側(cè)水力壓裂鉆孔布置示意(m)

        2.2 水力壓裂施工工藝

        水力壓裂系統(tǒng)主要由高壓水泵、封孔器、注水管、高壓供水膠管等組成,見圖3。水力壓裂技術(shù)實(shí)施時,主要步驟如下:①連接好各類管路,檢查水力壓裂系統(tǒng)中各部件是否處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài);②確認(rèn)完畢后,首先通過具有橫向切槽的特殊鉆頭進(jìn)行預(yù)制橫向切槽(開槽位于頂板完整段);③開槽完成后,更換鉆頭為普通鉆頭,繼續(xù)鉆進(jìn)至下一開槽位置,再次更換鉆頭為特殊鉆頭進(jìn)行開槽,如此循環(huán),直至鉆孔施工完畢;④通過手動泵對封孔器的膠筒進(jìn)行加壓,直至膠筒膨脹至與孔壁緊密貼合,達(dá)到封孔目的;⑤連接高壓泵,打開供水開關(guān),對鉆孔實(shí)施水力壓裂[5-6]。

        圖3 水力壓裂系統(tǒng)示意

        2.3 切頂卸壓對留巷應(yīng)力影響

        15117工作面留巷后,采空區(qū)內(nèi)巷道懸頂?shù)膶挾葘α粝飸?yīng)力具有較大的影響,為保障墻體的穩(wěn)定,對留巷懸頂進(jìn)行模擬。現(xiàn)采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件,根據(jù)工作面地質(zhì)條件建立長×寬×高=200 m×50 m×50 m的數(shù)值模型,分別對懸頂距為1 m和0.5 m時的巷道進(jìn)行模擬。根據(jù)模擬結(jié)果得出不同懸頂長度下留巷圍巖垂直應(yīng)力分布如圖4所示。

        圖4 不同懸頂長度下圍巖垂直應(yīng)力分布云圖

        15117工作面進(jìn)風(fēng)巷留巷寬度5.2 m,墻體厚度1.5 m,通過分析圖4可知,當(dāng)采空區(qū)懸頂距為0.5 m和1 m時,沿空留墻墻體垂直應(yīng)力最大值分別為20.8 MPa和22.3 MPa;懸頂距1 m相比懸頂距0.5 m,巷旁支護(hù)壓力增大約7%.因此,在沿空留墻上一工作面回采時,一定要采取措施,保證頂板沿墻體斷裂。

        3 切頂卸壓方案及效果

        3.1 切頂卸壓方案

        根據(jù)水力壓裂技術(shù)原理,結(jié)合15117工作面地質(zhì)條件及現(xiàn)有設(shè)備情況,為有效掌握水力壓裂鉆孔在各種布置形式下的實(shí)施效果,本次水力切頂卸壓方案劃分為兩段進(jìn)行,第一段采用單側(cè)鉆孔布置,第二段采用雙側(cè)鉆孔,具體方案如下:

        1) 單側(cè)鉆孔布置:水力壓裂鉆孔在非回采巷幫開孔,鉆孔偏向工作面?zhèn)龋毫雁@孔各項(xiàng)參數(shù)如表1所示,水力壓裂鉆孔實(shí)施時,每間隔1.5 m實(shí)施1次壓裂,每次壓力的時間需大于30 min。具體單側(cè)鉆孔布置形式如圖5所示。

        表1 單側(cè)水力壓裂鉆孔布置參數(shù)

        2) 雙側(cè)鉆孔布置:工作面?zhèn)茹@孔在巷幫開孔,鉆孔距頂板0.2~0.3 m,煤柱側(cè)鉆孔在頂板處開孔,鉆孔距側(cè)幫為1 m,鉆孔偏向工作面一側(cè),具體鉆孔布置形式如表2所示,為保障鉆孔壓裂效果,鉆孔每間隔2 m實(shí)施1次壓裂作業(yè),且保障每次壓裂時間不少于30 min。具體雙側(cè)壓裂鉆孔的布置形式如圖6所示。

        在進(jìn)行水力壓裂作業(yè)時,水力壓裂起裂壓力計算公式為:

        Pb=3σmin-σmax+σt

        (1)

        式中:Pb為水力壓裂的起裂壓力,MPA;σmax、σmin分別為巖層地應(yīng)力的最大和最小主應(yīng)力,MPa;σt為巖體所受拉應(yīng)力,MPa。根據(jù)巷道的具體地質(zhì)條件,計算得出巷道所需的起裂壓力Pb=55 MPa,考慮一定的壓力損失和巷道特征,確定本次使用的高壓水泵可實(shí)現(xiàn)的最大壓力為62 MPa,泵機(jī)電壓及電功率分分別為660 V和90 kW,泵機(jī)的流量為80 L/min。

        圖5 單側(cè)鉆孔布置方式示意(m)

        表2 雙側(cè)鉆孔布置參數(shù)

        圖6 雙側(cè)鉆孔布置方式示意(m)

        在水力壓裂方案實(shí)施過程中,密切注意頂板的變化情況,若有異常情況,應(yīng)立即停止作業(yè),排除危險后,針對壓裂區(qū)域采取補(bǔ)強(qiáng)加固措施后方可繼續(xù)施工。

        3.2 效果分析

        15117工作面進(jìn)風(fēng)巷水力切頂卸壓方案實(shí)施后,在沿空留墻期間分別進(jìn)行巷道圍巖變形量的監(jiān)測分析,分別在單側(cè)水力壓裂鉆孔區(qū)域和雙側(cè)水力壓裂鉆孔區(qū)域布置測站,根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠繪制出巷道圍巖變形量與距工作面距離間的關(guān)系曲線,如圖7所示。

        圖7 水力壓裂方案實(shí)施后巷道圍巖表面位移曲線

        分析圖7可知,巷道頂板采用單排孔水力壓裂方案后,隨著監(jiān)測斷面與工作面逐漸縮小,巷道圍巖變形量逐漸增大,最終頂板下沉量、底板鼓起量、左幫和右?guī)鸵平康淖畲笾捣謩e為52 mm、144 mm、72 mm和15 mm,且單排孔的區(qū)域巷道整體變形量相對較小,巷道內(nèi)混凝土墻體的變形量較?。幌锏啦捎秒p排孔水力壓裂方案后,隨著監(jiān)測斷面與工作面逐漸縮小,巷道圍巖變形量逐漸增大,最終頂板下沉量、底板鼓起量、左幫和右?guī)鸵平康淖畲笾捣謩e為43 mm、107 mm、61 mm和10 mm,巷道圍巖變形量相較于單排孔布置時,圍巖變形進(jìn)一步減小,水力壓裂方案對保障巷道圍巖穩(wěn)定起到較大作用。

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