李斌勝

(山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長治 047100)

1 工程概況

山西長治經(jīng)坊煤業(yè)3-邊角07工作面巷道位于七采區(qū)+830 m水平，為孤島工作面，西北側(cè)鄰近3-702、3-邊角06工作面采空區(qū)，西側(cè)鄰近3-707工作面采空區(qū)，南側(cè)鄰近3-701工作面采空區(qū)，東側(cè)與七采區(qū)軌道、回風(fēng)巷相連通。工作面走向長度1 508.9 m，傾向長度139.47 m，開采煤層為3號煤層，煤層平均厚度為6.28 m，平均傾角5°，埋深約400 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，夾矸厚度0～0.4 m。工作面老頂一般為中粒砂巖，直接巖性為粉砂巖、細(xì)粒砂巖或中粒砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖。3-邊角07工作面運(yùn)輸巷道屬于典型的動壓影響巷道，受本工作面回采的影響，巷道超前段變形速度快、變形量大，時有礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。因此，為緩解工作面周邊壓力，采用水力壓裂切頂卸壓技術(shù)壓裂煤層頂板，使采空區(qū)盡量充滿垮落后的頂板。

2 水力壓裂切頂卸壓技術(shù)

2.1 水力壓裂切頂卸壓技術(shù)原理

利用高壓水向煤層頂板鉆孔注入，使鉆孔周圍出現(xiàn)裂縫，最終使頂板形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，以此來達(dá)到破壞頂板完整性的目的，削弱頂板強(qiáng)度，使堅(jiān)硬頂板變?yōu)橐酌绊敯?。?jiān)硬頂板及時垮落，避免造成頂板突然垮落造成的烈性事故[1-3]。

利用水力壓裂法進(jìn)行頂板強(qiáng)度弱化時，工作面頂板應(yīng)力分布會發(fā)生一定變化。如工作面端頭三角板懸臂長度減少，會中斷卸壓過程中采動影響的傳遞，采空區(qū)堅(jiān)硬頂板得以及時垮落，并降低了頂板上覆巖層的大結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)下沉概率，從而可以緩解來壓對巷道的影響，頂板應(yīng)力集中現(xiàn)象得以緩解。水力壓裂切頂卸壓前后應(yīng)力分布如圖1所示[4]。

圖1 水力壓裂切頂卸壓前后應(yīng)力分布圖

水力壓裂鉆孔通常沿巷道走向布置，布置形式有兩種，即單側(cè)和雙側(cè)。工作面長度和鉆機(jī)能力共同決定了鉆孔布置形式。①單側(cè)布置。為減少施工量，降低施工工程難度，通常采用單側(cè)布置鉆孔；此種布置形式雖易于施行，但卻對鉆機(jī)要求較高，鉆孔角度、深度、彎曲度都是制約工程質(zhì)量的因素。②雙側(cè)布置。在水力壓裂過程中，對施工鉆孔位置較低的工作面，采用雙側(cè)布置水力壓裂鉆孔。對頂板的弱化程度更為均勻，并且由于鉆孔較短，需要的封孔器較短，大大降低了施工難度。圖2為水力壓裂鉆孔單側(cè)布置和雙側(cè)布置圖。水力壓裂切頂卸壓的效果和諸多因素有關(guān)。壓裂高度距離頂板太近或太遠(yuǎn)均不利于垮落，可見要選擇合適壓裂高度才會獲得良好的壓裂效果。通常保證壓裂區(qū)域距離頂板距離>5 m，才能保證壓裂后巷道圍巖的控制效果[5-7]。

圖2 水力壓裂鉆孔單側(cè)和雙側(cè)布置形式圖(m)

2.2 水力壓裂施工工藝

圖3為水力壓裂裝置示意。可見由高壓水泵、封孔器、注水管等共同組成水力壓裂系統(tǒng)。其中，高壓水泵用于壓裂段加壓，流量80 L/min，額定壓力62 MPa，功率90 kW，電壓660/1 140 V；注水管長度為1.5 m，主要作為連接構(gòu)件和加壓通道；封孔器在使用前要先進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，通過樹脂管路給封隔器與中心管間隙加壓，使高壓水不外泄；水壓檢測儀型號為KJ327-F水壓致裂數(shù)據(jù)采集儀，可以記錄壓裂過程中流量和壓力的實(shí)時變化。

圖3 水力壓裂系統(tǒng)示意

施工時，按照圖3所示將壓裂系統(tǒng)各部件安裝完畢，并檢驗(yàn)其工作狀態(tài)是否正常；之后進(jìn)行預(yù)制裂縫施工，利用特殊鉆頭進(jìn)行橫向切槽，開槽位置位于頂板完整端；之后更換特殊鉆頭為普通鉆頭，進(jìn)行下位開槽位置的鉆孔施工，完成后再次更換為特殊鉆頭進(jìn)行預(yù)制裂縫施工，二者循環(huán)施工，直到達(dá)到巷道設(shè)計(jì)施工長度；對封孔器加壓，用到的儀器為手動泵，加壓至膠筒膨脹緊貼鉆孔內(nèi)壁；最后，連接高壓泵，進(jìn)行水力壓裂施工。預(yù)裂縫起裂后水壓會有所下降，繼而進(jìn)入保壓階段，在這個階段，裂紋擴(kuò)展的同時伴隨著新裂紋的產(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。壓裂過程中觀測壓裂孔周圍頂板出水情況，壓裂時間一般不少于30 min，現(xiàn)場施工如圖4所示[8]。

圖4 水力壓裂現(xiàn)場施工

3 切頂卸壓方案及效果

3.1 切頂卸壓方案

根據(jù)頂板的巖性和強(qiáng)度以及水力壓裂技術(shù)原理，綜合3-邊角07工作面運(yùn)輸巷道基本情況，確定水力壓裂鉆孔布置分為單側(cè)布置和雙側(cè)布置。為不影響工作面正常生產(chǎn)，保證鉆孔施工位置與工作面距離>200 m，并根據(jù)礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)和范圍，確定了初次施工范圍為100 m。

1) 單側(cè)鉆孔布置。圖5為單側(cè)鉆孔布置示意。如圖5所示，在煤柱側(cè)布置壓裂鉆孔S，并沿著工作面方向打設(shè)，鉆孔進(jìn)尺為750 m，S孔個數(shù)為10個，鉆孔間隔為10 m，S鉆孔參數(shù)如表1所示，每次壓裂時間應(yīng)>30 min。

圖5 單側(cè)鉆孔布置圖

表1 單側(cè)水力壓裂鉆孔布置參數(shù)

2) 雙側(cè)鉆孔布置。圖6為雙側(cè)鉆孔布置示意。可知煤柱側(cè)開孔位置位于頂板，鉆孔與頂板距離為0.8 m；工作面?zhèn)乳_孔位置距離頂板0.15～0.2 m，位于巷幫處。在煤柱側(cè)及工作面?zhèn)确謩e布置鉆孔S和鉆孔L，并沿工作面方向打設(shè)。雙側(cè)鉆孔總進(jìn)尺1 500 m，其中S鉆孔和L鉆孔孔深均為75 m，S鉆孔孔間距為10 m，L鉆孔孔間距為10 m，S、L鉆孔孔間距為5 m，鉆孔參數(shù)如表2所示。要求每次水力壓裂時間>30 min。

表2 雙側(cè)水力壓裂鉆孔布置參數(shù)

在水力壓裂切頂卸壓控制頂板施工作業(yè)時，水力壓裂的起裂壓力可由公式(1)計(jì)算[8-10]：

Pb= 3σmin-σmax+σt

(1)

式中:Pb為水力壓裂的起裂壓力，MPa；σmax為巖層最大水平主應(yīng)力，MPa；σmin為巖層最小水平主應(yīng)力，MPa；σt為巖體所受拉應(yīng)力，MPa。通過計(jì)算可得，經(jīng)坊煤業(yè)3-邊角07工作面運(yùn)輸巷道水力壓裂的起裂壓力Pb=56 MPa。由礦壓顯現(xiàn)特征和壓力損失特征最終確定高壓水泵的壓力控制為65 MPa，流量為80 L/min，電機(jī)功率為660 V/90 kW。

圖6 雙側(cè)鉆孔布置圖

3.2 切頂卸壓效果分析

3-邊角07工作面運(yùn)輸巷道水力壓裂方案實(shí)施后，在巷道施工500～300 m處安裝檢測儀，進(jìn)行巷道圍巖變形量測定，分析對比兩種方案對于該巷道的卸壓效果，并用Origin軟件繪制曲線，如圖7所示。

由圖7可知，3-邊角07工作面運(yùn)輸巷道頂板進(jìn)行水力壓裂切頂卸壓時，采用單側(cè)鉆孔布置方案可以有效減少巷道圍巖變形量。隨著水力壓裂施工的進(jìn)行，底鼓量、頂板下沉量以及兩幫移近量均有不同程度的減小，其中底鼓變形量減弱最為明顯；而巷道右?guī)妥冃瘟孔兓钚?。?dāng)采用雙側(cè)鉆孔布置方式時，曲線均呈現(xiàn)上升趨勢，說明水力壓裂控制頂板效果良好，但是在距離回采工作面360 m左右曲線出現(xiàn)一個明顯的拐點(diǎn)。拐點(diǎn)后，底鼓量曲線變陡，頂板下沉量曲線變緩，可能是由于此處遇地質(zhì)構(gòu)造。對比圖7(a)、圖7(b)可知，采用單側(cè)鉆孔布置方式時底鼓量、左幫變形量、頂板下沉量、右?guī)妥冃瘟孔畲笾捣謩e是180 mm、66 mm、48 mm、19 mm；采用雙側(cè)鉆孔布置方式時底鼓量、左幫變形量、頂板下沉量、右?guī)妥冃瘟孔畲笾捣謩e是123 mm、58 mm、42 mm、11 mm。顯而易見，雙側(cè)鉆孔布置方式的水力壓裂效果要優(yōu)于單側(cè)鉆孔布置方式，能更大程度上保證巷道圍巖穩(wěn)定性[9-13]。

4 結(jié) 語

利用水力壓裂技術(shù)對經(jīng)坊煤業(yè)3-邊角07工作面運(yùn)輸巷道頂板進(jìn)行切頂卸壓，通過對比發(fā)現(xiàn)，在煤柱側(cè)和工作面?zhèn)茹@孔的雙側(cè)鉆孔布置方式卸壓效果更為良好，為同類堅(jiān)硬頂板控制提供了借鑒。