劉文靜，李 剛，梁少劍，楊 琛，賀斌雷

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

隨著礦井煤炭資源持續(xù)開采，在多因素、多災(zāi)害耦合致災(zāi)機(jī)制下，沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量、頻次和強(qiáng)度將大大增加，掘進(jìn)及回采期間尤為明顯，災(zāi)害主要顯現(xiàn)為掘進(jìn)迎頭煤壁片幫嚴(yán)重、頂板多次抽冒、巷道成形差、支護(hù)施工困難，誘發(fā)煤與瓦斯突出、煤層自然發(fā)火、水害等次生災(zāi)害，目前，沖擊地壓已經(jīng)嚴(yán)重影響工人人身安全并威脅到煤礦安全高效生產(chǎn)。

彬長孟村礦屬于典型的特厚堅(jiān)硬頂板，這種堅(jiān)硬頂板若難以及時(shí)垮落，會(huì)導(dǎo)致頂板內(nèi)集聚大量彈性能，當(dāng)懸頂面積過大且超過一定極限時(shí)，就會(huì)發(fā)生大面積垮落，造成頂板彈性能瞬間釋放，給礦井生產(chǎn)帶來巨大安全隱患?；诖?，通過采用水力壓裂技術(shù)降低特厚堅(jiān)硬頂板巖層高應(yīng)力集中，以解決堅(jiān)硬巖層難垮落問題[1-4]，水力壓裂的主要作用有弱化煤體儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)移和降低應(yīng)力、降低沖擊傾向性。國內(nèi)研究現(xiàn)狀主要有：齊慶新[5]、潘俊鋒[6，7]、姜耀東[8]等對沖擊地壓的防治現(xiàn)狀及技術(shù)進(jìn)行了深入研究；韓穎[9]分析了水力沖孔卸壓增透技術(shù)；顧合龍[10]通過爆破卸壓技術(shù)解決卸壓效率難題；王耀鋒[11]總結(jié)了水力化煤層增透技術(shù)；鄧廣哲[12]對頂板定向水力壓裂進(jìn)行了研究。本文針對彬長礦區(qū)孟村煤礦401101工作面堅(jiān)硬特厚頂板難垮落的現(xiàn)狀，采取頂板水力壓裂工藝解決頂板應(yīng)力集中及懸頂問題，分析采用不同鉆孔傾角條件下現(xiàn)場頂板壓裂效果，為特厚煤層堅(jiān)硬頂板水力壓裂技術(shù)提供一定理論技術(shù)指導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)礦井安全高效開采。

1 工作面概況及開采條件

彬長礦區(qū)煤炭探明地質(zhì)儲(chǔ)量67.29億t，煤層埋藏深、厚度大[13]。該礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造條件及工作面生產(chǎn)條件復(fù)雜，水、火、瓦斯、地?zé)岬茸匀粸?zāi)害嚴(yán)重，特別是沖擊地壓問題尤為突出，沖擊地壓臨界深度約為500～600m[14，15]。401101工作面為孟村礦井401盤區(qū)布置的首個(gè)回采工作面，該煤礦為高瓦斯礦井，水文地質(zhì)類型復(fù)雜，可采走向長度2090m，傾向長度180m，采用分層綜放開采，采放比為1∶2.31，工作面及巷道留有較厚底煤。401101工作面回采厚度10.5～12.0m，平均回采高度11.6m，傾角1°～8°，埋深586～800m，底板標(biāo)高為+255～+325m，煤層強(qiáng)度較高，單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)20MPa以上，普遍具有弱或強(qiáng)沖擊傾向性。煤層頂板為以砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖、粗粒砂巖為主的復(fù)合型頂板，底板以遇水易膨脹的鋁質(zhì)泥巖為主，堅(jiān)硬頂板模擬參數(shù)選取見表1。

該煤礦地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，“一面多巷”的布置方式導(dǎo)致區(qū)段煤柱總寬度加大，對臨空巷道沖擊地壓造成不利影響，沖擊地壓目前已成為制約礦區(qū)安全生產(chǎn)的主要災(zāi)種[13]。

2 水力壓裂鉆孔應(yīng)力場分析

在水力壓裂過程中，當(dāng)液體壓力超過孔壁處巖石開裂所需應(yīng)力時(shí)，孔壁處開始產(chǎn)生裂縫。因此，裂縫的產(chǎn)生與液體壓力、巖層的力學(xué)性質(zhì)、地應(yīng)力場和鉆孔方向有關(guān)，地應(yīng)力場類型是影響裂縫起裂的關(guān)鍵因素，對于逆斷層型應(yīng)力場，裂縫起裂壓力隨方位角單調(diào)增加，鉆孔沿最小水平主應(yīng)力方向布置時(shí)起裂壓力最小[16]。直角坐標(biāo)系下孔邊應(yīng)力場如圖1所示。

圖1 直角坐標(biāo)系下孔邊應(yīng)力場

由圖1可知，θ為x軸沿z軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)過的角度；rw為孔的半徑。根據(jù)最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，其孔壁受到拉應(yīng)力作用力較大，當(dāng)孔壁處最大拉應(yīng)力達(dá)到巖石抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂縫在孔壁處起裂，縱向裂隙發(fā)育較明顯。由孔壁應(yīng)力狀態(tài)可知，σθ是液體壓力p的函數(shù)。當(dāng)液體壓力p逐漸增大到一定值，在孔壁θf處開始產(chǎn)生裂縫，θf處σmax達(dá)到最大，即：σmax=σt，裂縫開啟位置θf由下式確定：

可計(jì)算孔壁裂縫開啟壓力Pb為[17]：

Pb=(σx+σy)-2(σx-σy)cos(2θf)-

式中，Pb為孔壁裂縫開啟壓力，MPa；σmax為孔壁處最大拉應(yīng)力，MPa；σθ是液體壓力p的函數(shù)；θf處產(chǎn)生裂縫，θf處σmax達(dá)到最大。

3 水力壓裂堅(jiān)硬頂板施工工藝

3.1 鉆孔設(shè)計(jì)

為降低工作面回風(fēng)巷上方堅(jiān)硬頂板巖體強(qiáng)度及掘進(jìn)期間的沖擊礦壓，有效控制頂板破裂的同時(shí)，避免給工作面的正常開采帶來影響[17]。根據(jù)該工作面地質(zhì)情況以及水力壓裂理論分析結(jié)果，對其難垮落頂板進(jìn)行水力壓裂鉆孔設(shè)計(jì)，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，依據(jù)頂板巖層結(jié)構(gòu)、層厚、采高選取2種不同傾角及深度的鉆孔進(jìn)行水力壓裂，對比分析壓裂效果，401101工作面壓裂鉆孔布置如圖2所示。

圖2 401101工作面壓裂鉆孔布置

水力壓裂次數(shù)為4次，壓裂期間水壓保持在18～55MPa，平均壓力為25～30MPa，單次壓裂進(jìn)水量在0.5～1.5m3之間。在401101工作面回風(fēng)巷副幫側(cè)1075m位置開始鉆孔設(shè)計(jì)、打孔、壓裂施工，穿過B2背斜影響段及F1斷層影響區(qū)域，至工作面停采線(2072m處)，水力壓裂鉆孔設(shè)計(jì)如圖3所示，鉆孔具體參數(shù)見表2。

圖3 水力壓裂鉆孔設(shè)計(jì)

表2 水力壓裂分析鉆孔選取參數(shù)

3.2 水力壓裂施工工藝

水力壓裂控制煤礦堅(jiān)硬難垮頂板工藝過程如圖4所示，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。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。其中，封孔器：由中心管和封隔器膠筒組成水路通道。中心管注入高壓水：通向壓裂段，通過水的高壓壓裂巖孔，而封隔器與中心管形成的空間，存儲(chǔ)高壓水用以密封壓裂段。通過連桿將兩支封隔器相連，巖孔壓裂段處于兩支封隔器之間。注水管：注水管連接處用“O”型圈密封，拆裝方便，密封可靠，使測試效率大為提高。注水管作用主要有兩個(gè)：其一，作為連接構(gòu)件將連接好的封隔系統(tǒng)送至鉆孔的預(yù)定位置；其二，作為加壓通道對封隔的鉆孔段進(jìn)行壓裂。高壓水泵：其作用是給壓裂段加壓。為了與井下大功率防爆開關(guān)相配套，選取防爆電機(jī)參數(shù)為：電壓660/1140V，油泵流量80L/min，額定壓力62MPa。流量水壓監(jiān)測儀：為實(shí)時(shí)監(jiān)控測試過程，顯示、記錄和分析測試結(jié)果，實(shí)時(shí)記錄流量和壓力變化曲線。該儀器系礦用本質(zhì)安全型。

圖4 水力壓裂工藝

預(yù)裂縫起裂后水壓會(huì)有所下降，繼而進(jìn)入保壓階段，在這個(gè)階段，裂紋擴(kuò)展的同時(shí)伴隨著新裂紋的產(chǎn)生，利用流量計(jì)監(jiān)測流量及注入的水量，保證頂板巖層充分弱化和軟化。

4 頂板壓裂效果考察

4.1 壓裂鉆孔裂隙發(fā)育特征分析

在觀測煤體及圍巖在水力壓裂之后的裂隙裂縫情況時(shí)，本次采用防爆鉆孔窺視儀(4D超高清全智能孔內(nèi)電視)在鉆孔內(nèi)(壓裂孔F1、壓裂孔F66)不同位置進(jìn)行裂隙發(fā)育情況探查，探查結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯鲢@孔孔壁在壓裂位置處都有不同程度的破壞，孔內(nèi)一般出現(xiàn)以下斜切、縱向、橫向三種裂縫，而在非壓裂位置則很少有明顯的裂隙、裂縫產(chǎn)生。傾角70°鉆孔的裂隙以橫向裂隙為主，說明橫向裂隙的切割阻力相比要小于縱向裂隙的切割阻力，主要是因?yàn)樨Q直方向上有大的自由面(回風(fēng)巷壁)，且豎直方向上有重力作用，而水平方向上沒有自由面。

圖5 不同參數(shù)鉆孔裂隙發(fā)育

從現(xiàn)場壓裂情況看，壓裂孔時(shí)，從臨近已壓裂過的孔口出水量較多，且壓裂期間臨近孔孔口均能出水，前方未壓裂孔的出水量較少，間接說明本孔壓裂時(shí)，壓裂孔巖層之間裂隙能較好的貫穿。對比分析F1孔、F66孔壓裂效果，F(xiàn)1高壓水預(yù)裂鉆孔預(yù)裂頂板高度為16.3m，至老頂粗砂巖中；F66高壓水預(yù)裂鉆孔預(yù)裂頂板高度為30.3m，至老頂粗砂巖中上部位置，F(xiàn)66孔壓裂效果明顯好于F1孔。

4.2 壓裂前后區(qū)域能量特征分析

微震監(jiān)測技術(shù)是通過觀測分析水力壓裂作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的微小地震事件繪制裂縫的空間圖像，監(jiān)測裂縫的發(fā)育過程，實(shí)時(shí)調(diào)整作業(yè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)水力壓裂效果最優(yōu)化的過程[18]。各分區(qū)域面前、面后微震事件占比情況如圖6所示，各層位微震能量和頻次分布如圖7所示。不同區(qū)域能量級(jí)微震事件數(shù)對比統(tǒng)計(jì)見表3。

圖6 各分區(qū)域面前、面后微震事件占比情況

圖7 各層位微震能量和頻次分布

表3 不同區(qū)域能量級(jí)微震事件數(shù)對比統(tǒng)計(jì)

由圖6和圖7可知，工作面進(jìn)入高壓水預(yù)裂區(qū)域后日均總能量及頻次趨于平緩；區(qū)域4日均總能量、微震頻次相比于區(qū)域3降低，401101工作面微震事件多為102J和103J能量級(jí)，合計(jì)占比達(dá)91.74%。高能量級(jí)事件較少，105J及以上能量級(jí)事件只有三次，工作面進(jìn)入高壓水預(yù)裂區(qū)域后，高級(jí)別能量微震事件頻次占比顯著降低；工作面由區(qū)域2進(jìn)入高壓水預(yù)裂區(qū)域3后，發(fā)生在工作面前的微震事件占比逐漸增大，微震事件逐漸由工作面后方向工作面前方轉(zhuǎn)移，表明高壓水預(yù)裂緩解了沖擊礦壓的強(qiáng)度及危險(xiǎn)程度。401101工作面進(jìn)入斷層影響區(qū)前，頂板內(nèi)發(fā)生的微震事件主要集中于煤層頂板以上20～40m范圍，煤層頂板100m以上微震事件零星分布；工作面推采過程中頂板范圍內(nèi)的微震事件在垂向上的集中位置逐漸有向下移動(dòng)的趨勢。

4.3 工作面推進(jìn)至預(yù)裂區(qū)前后支架工作阻力分析

401101工作面回風(fēng)巷端頭33.25m范圍內(nèi)(4#、7#、10#、13#、16#、19#支架)液壓支架工作阻力變化數(shù)據(jù)見表4。3月12日進(jìn)入壓裂范圍區(qū)以前，工作面距F1壓裂孔23m；3月17日，工作面推進(jìn)至F1壓裂孔位置，同時(shí)也進(jìn)入了B2背斜構(gòu)造區(qū)，來壓時(shí)，沖擊礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度。401101回風(fēng)巷煤柱側(cè)鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測，選取前三組鉆孔應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)與之前未壓裂區(qū)域的鉆孔應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，得到距工作面不同距離時(shí)的煤柱側(cè)應(yīng)力減小量變化曲線，如圖8所示。

表4 液壓支架工作阻力

圖8 鉆孔應(yīng)力減少量變化曲線

由表4可知，工作面推進(jìn)至距離F1孔23m位置時(shí)，沿煤巖層走向方向，回風(fēng)巷端頭4#支架首先受到高壓水力預(yù)裂老頂卸壓作用和采動(dòng)應(yīng)力效應(yīng)的雙重(耦合作用)影響，工作阻力曲線變化異常；工作面未推進(jìn)至高壓水預(yù)裂區(qū)范圍前，由于老頂懸頂(或垮落不充分)因素，支架上方的8.1m頂煤未能充分受老頂?shù)淖冃魏奢d傳遞，支架隨接頂嚴(yán)實(shí)，但未能充分受力，導(dǎo)致4#—19#支架工作阻力均出現(xiàn)較嚴(yán)重的空載現(xiàn)象。

當(dāng)工作面推進(jìn)至高壓水預(yù)裂區(qū)范圍后(3月12日以后的支架工作阻力曲線)，由于老頂受高壓水壓裂的切頂卸載效果影響，4#—19#支架受力較充分，大大降低了支架空載，當(dāng)工作面推進(jìn)至高壓水預(yù)裂區(qū)范圍后，回風(fēng)巷端頭4#—19#支架周期來壓最大值和增載系數(shù)受高壓水預(yù)裂老頂切頂卸壓效果的影響，均有不同程度的增大，其中7#—13#支架影響最明顯，綜合說明壓裂效果顯著。

由圖7可知，當(dāng)工作面推進(jìn)至距測點(diǎn)30m左右時(shí)，相較于之前未壓裂區(qū)域的煤柱側(cè)應(yīng)力，壓裂區(qū)域的三組煤柱側(cè)應(yīng)力降低值開始緩慢增加；當(dāng)工作面推進(jìn)至距測點(diǎn)5m左右時(shí)，煤柱側(cè)應(yīng)力降低值開始快速增加；當(dāng)工作面推過測點(diǎn)位置后，煤柱側(cè)應(yīng)力降低值有不同程度的下降，隨后基本保持穩(wěn)定。煤柱側(cè)應(yīng)力降低值最大為0.9～1.4MPa，與未壓裂區(qū)域相比降低了13%～20.6%；說明進(jìn)行水力壓裂有效地降低了采空區(qū)礦壓向煤柱側(cè)的傳導(dǎo)。

5 結(jié) 論

1)壓裂孔間巖層裂隙在最小水平主應(yīng)力方向上能較好地貫穿，在垂向上有效壓裂老頂效果可觀，壓裂鉆孔孔壁在壓裂位置處都有不同程度的破壞，產(chǎn)生斜切、縱向和橫向三種裂隙。

2)工作面進(jìn)入高壓水預(yù)裂區(qū)域后，高級(jí)別能量微震事件頻次占比顯著降低，微震事件逐漸由工作面后方轉(zhuǎn)移向工作面前方，表明高壓水預(yù)裂緩解了沖擊礦壓的強(qiáng)度及危險(xiǎn)程度。

3)工作面推進(jìn)至高壓水預(yù)裂區(qū)范圍后，端頭范圍內(nèi)頂板垮落充分，支架工作阻力峰值和增載系數(shù)普遍較未壓裂區(qū)增大，支架的空載和漏失率大大降低。