李 培，韓曉克，黃炳香，邵魯英，趙興龍，陳樹亮

(1.淮浙煤電有限責(zé)任公司顧北煤礦，安徽 淮南 232000；2.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學(xué)低碳能源與動力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

長壁采煤法開采效率高，容易實現(xiàn)機(jī)械化，因此在國內(nèi)煤礦被普遍應(yīng)用，但較大的采場空間使其采動影響范圍廣，采動應(yīng)力甚至可以達(dá)到原巖應(yīng)力的5倍[1]。同時，我國煤礦的高地應(yīng)力巷道占比可達(dá)70%[2]，其中服務(wù)年限較長的大巷會持續(xù)遭受動壓影響，往往存在著巷道變形嚴(yán)重、圍巖控制困難等問題。停采線附近的大巷受本工作面動壓和由頂板巖層傳遞的遠(yuǎn)場采動應(yīng)力的雙重影響，具有變形量大、變形時間長、巷道破壞嚴(yán)重等特點[3]，嚴(yán)重影響著礦井的安全高效生產(chǎn)。

圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移是解決高地應(yīng)力巷道圍巖控制問題的有效途徑之一[4]，應(yīng)力轉(zhuǎn)移手段包括深孔爆破卸壓、超前鉆孔卸壓以及水力壓裂弱化改造等[5-6]，并在工程運用中取得了良好效果[7-10]。相較于傳統(tǒng)爆破手段的改造范圍小、施工風(fēng)險大、卸壓效果不理想等問題[11]，水力壓裂技術(shù)通過向鉆孔中注入高壓水形成水力裂縫來弱化改造煤巖體強(qiáng)度，具有控制范圍大、安全性高、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)、無污染等優(yōu)點[12]。目前，水壓致裂技術(shù)已經(jīng)在解決工作面堅硬頂板控制難題上取得了理想的效果[13-16]，同時對巷道圍巖變形的良好控制效果也得到了現(xiàn)場試驗驗證[17-18]。

淮浙煤電有限責(zé)任公司顧北煤礦南一1煤層采區(qū)在前期的開采作業(yè)中出現(xiàn)了采區(qū)大巷受動壓影響而嚴(yán)重變形的問題，由于頂板中存在多層厚硬巖層，使用傳統(tǒng)的爆破切頂卸壓、留設(shè)寬煤柱等措施均無法經(jīng)濟(jì)有效地控制巷道圍巖。 因此，顧北煤礦在13521工作面回采期間，采用中國礦業(yè)大學(xué)煤巖體壓裂團(tuán)隊的水力壓裂工藝技術(shù)和裝備，開展頂板水力壓裂應(yīng)力轉(zhuǎn)移保護(hù)采區(qū)大巷技術(shù)試驗。 針對頂板具有多層關(guān)鍵厚硬巖層的特點，基于水力裂縫的擴(kuò)展規(guī)律[19-20]，設(shè)計高-低位巖層組合壓裂方案，增強(qiáng)壓裂應(yīng)力轉(zhuǎn)移效果，在施工過程中實時監(jiān)測水壓力變化，反饋調(diào)整壓裂參數(shù)。最后，通過監(jiān)測壓裂后巷道變形量，檢驗水力壓裂控制采動大巷變形技術(shù)的實際應(yīng)用效果。試驗驗證了高-低位巖層組合壓裂的可行性和有效性，為具有相似問題和需求的礦井提供了參考。

1 工作面條件

1.1 地質(zhì)條件

13521工作面總體構(gòu)造形態(tài)為一單斜構(gòu)造，面內(nèi)煤層走向近南北，平均傾角4°，煤厚6.0～9.3 m，平均厚度7.6 m，工作面內(nèi)影響回采的斷層有15條，斷層最大落差9.2 m。工作面內(nèi)測得最大原始瓦斯含量為5.23 m3/t。工作面老頂為平均厚度6.5 m的細(xì)砂巖，平均單軸抗壓強(qiáng)度93.4 MPa，少量裂隙發(fā)育，致密堅硬，水平層理清晰。直接頂為平均厚度3.9 m的砂質(zhì)泥巖(泥巖)，平均單軸抗壓強(qiáng)度41.37 MPa，面內(nèi)局部缺失，由砂巖老頂直覆。直接底為平均厚度1.4 m的泥巖，平均單軸抗壓強(qiáng)度為31.04 MPa，老底為平均厚度9.6 m的粉細(xì)砂巖，平均單軸抗壓強(qiáng)度為58.15 MPa。

13521工作面綜合地質(zhì)柱狀圖如圖1所示，工作面所在1煤層厚度為7.6 m，在煤層上方3.9 m處有厚度6.5 m的細(xì)砂巖；在煤層上方22.6 m處有厚度11.2 m的細(xì)砂巖。兩層細(xì)砂巖層裂隙不發(fā)育，均屬于關(guān)鍵厚硬巖層。

圖1 13521工作面綜合地質(zhì)柱狀圖

1.2 技術(shù)條件

13521工作面位于南一1煤層采區(qū)，所采煤層為1煤層，工作面標(biāo)高-465.0～-599.5 m，走向長1 628 m，傾斜寬210.5 m。工作面整體采用U型通風(fēng)，采煤方法為傾斜長壁采煤法，回采方式為后退式回采，采取綜合機(jī)械化采煤工藝，正常回采期間工作面沿1煤層頂板回采，采高4.5 m，采用全部垮落法管理頂板。

13521工作面周圍巷道布置如圖2所示。工作面兩條順槽平行布置，與切眼垂直，南側(cè)是13521工作面回風(fēng)順槽，緊鄰設(shè)計的是13621工作面，北側(cè)是工作面膠帶機(jī)順槽，緊鄰設(shè)計的是13421工作面，兩側(cè)工作面均未進(jìn)行采掘，西側(cè)為1煤層防水煤柱線，東側(cè)為南一1煤層采區(qū)系統(tǒng)巷道。工作面設(shè)計停采線距南一1煤層采區(qū)底板膠帶機(jī)巷80 m，距離南一1煤層采區(qū)回風(fēng)巷102 m，距離南一1煤層采區(qū)頂板軌道巷185 m。工作面停采后，13521工作面軌順進(jìn)料聯(lián)巷和13521工作面回順進(jìn)料聯(lián)巷要繼續(xù)保留，用于服務(wù)相鄰工作面后續(xù)的采掘生產(chǎn)作業(yè)。

圖2 13521工作面巷道平面布置

2 問題分析及控制思路

2.1 問題分析

在工作面回采過程中，采動應(yīng)力超前集中擾動前方的大巷，工作面在采區(qū)大巷附近停采后，遠(yuǎn)場采動應(yīng)力會持續(xù)通過頂板巖層傳遞至巷道圍巖中，造成大巷持續(xù)變形，巷道維護(hù)難度大。

13521工作面所在南一1煤層采區(qū)的其他工作面回采期間，鄰近采區(qū)大巷一直受到采動應(yīng)力影響，出現(xiàn)不同程度變形，維護(hù)困難較大。根據(jù)13521工作面綜合地質(zhì)柱狀圖(圖1)可知，在距離1煤層上方3.9 m和22.6 m處分別有6.5 m和11.2 m厚的細(xì)砂巖頂板，兩層細(xì)砂巖層均為厚硬巖層，是傳遞遠(yuǎn)場采動應(yīng)力的良好介質(zhì)，是導(dǎo)致大巷變形嚴(yán)重的主要因素之一。

為了增強(qiáng)采區(qū)大巷穩(wěn)定性，保證礦井的正常生產(chǎn)，通常采用留設(shè)大尺寸保護(hù)煤柱的方法。但此方法不能從根本上解決采動大巷變形問題，同時還造成了資源的浪費，隨著采深的增加以及開采擾動的加劇，保護(hù)煤柱對巷道的保護(hù)范圍受限，巷道依然可能出現(xiàn)不同程度變形，給礦井帶來經(jīng)濟(jì)損失。為減小工作面采動應(yīng)力對采區(qū)大巷的影響，同時提高資源回收率，可以采用頂板水力壓裂應(yīng)力轉(zhuǎn)移的方法來保護(hù)采區(qū)大巷。

2.2 控制思路

水力壓裂技術(shù)可以通過不同深度的鉆孔對井下不同位置的巖層進(jìn)行弱化改造，減弱其傳遞采動應(yīng)力的能力，進(jìn)而實現(xiàn)采動應(yīng)力轉(zhuǎn)移，保護(hù)礦井巷道和硐室穩(wěn)定性的目的。在13521工作面回采期間，結(jié)合實際頂板地質(zhì)條件，在停采前后對上覆厚硬巖層進(jìn)行水力壓裂，提前切斷采動應(yīng)力傳遞的通道，控制大巷變形，保護(hù)采區(qū)大巷。

從垂直于工作面推進(jìn)方向上的采區(qū)煤層回風(fēng)大巷切斷距離1煤層22.6 m的高位細(xì)砂巖，阻斷采動應(yīng)力傳播路徑，降低對采區(qū)大巷的影響；同時在工作面停采線處分別切斷距離1煤層頂板3.9 m的低位細(xì)砂巖和距離1煤層頂板22.6 m的高位細(xì)砂巖，進(jìn)一步減小遠(yuǎn)場采動應(yīng)力對采區(qū)大巷的影響，將細(xì)砂巖層及上覆巖層的應(yīng)力向采空區(qū)方向轉(zhuǎn)移(圖3)。

圖3 頂板高-低位巖層組合壓裂應(yīng)力轉(zhuǎn)移控制思路

3 施工方案及過程

3.1 鉆孔施工

水力致裂鉆孔的施工分為兩個階段：①工作面停采前，在煤層回風(fēng)大巷中鉆進(jìn)朝向工作面斜上方的致裂孔(S1鉆孔～S12鉆孔)，用于壓裂距離煤層頂部22.6 m處的細(xì)砂巖層；②工作面停采并拆除采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架后，在回撤通道垂直于煤壁斜向前方施工兩組鉆孔，其中，P1鉆孔～P11鉆孔用于切斷距離煤層頂部3.9 m的細(xì)砂巖層，Q1鉆孔～Q10鉆孔用于切斷距離煤層頂部22.6 m的細(xì)砂巖層。鉆孔的平面布置如圖4所示，其中在回風(fēng)大巷施工的鉆孔鉆至高位細(xì)砂巖頂板中，在工作面回撤通道施工的兩組鉆孔分別鉆至煤層上部低位細(xì)砂巖頂板和高位細(xì)砂巖頂板中。

圖4 煤層回風(fēng)大巷及回撤通道壓裂鉆孔平面布置

3.2 壓裂施工

采用60 MPa井下煤巖體水力壓裂成套裝備(圖5)進(jìn)行水力壓裂施工。壓裂專用高壓泵及水箱設(shè)在13521工作面回風(fēng)順槽進(jìn)料聯(lián)巷往13621膠帶機(jī)順槽拐角處(圖5(a))，高壓泵額定流量120 L/min，額定水壓力60 MPa。 在泵站附近采用水壓致裂測控儀實時監(jiān)測和記錄壓裂期間的水壓力數(shù)據(jù)(圖5(b))，同時采用水力壓裂專用封孔器進(jìn)行封孔，保障壓裂作業(yè)的安全性和有效性。

圖5 井下水力壓裂主要裝備

壓裂鉆孔共計33個，各鉆孔依據(jù)切頂卸壓原理的設(shè)計施工參數(shù)不同，致裂位置、施工壓力和注水量等參數(shù)均不等，其中位于回風(fēng)大巷的壓裂孔穿過目標(biāo)細(xì)砂巖層的區(qū)段較長，所以采用后退式兩段壓裂來保證壓裂效果，兩段壓裂區(qū)間間隔7～9 m，回撤通道中的兩組壓裂孔則只進(jìn)行一次壓裂。每個鉆孔的施工量根據(jù)設(shè)計參數(shù)和水壓力的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息決定，目標(biāo)巖層切斷后即可合理控制致裂時間，減小工程量。水壓力峰值變化范圍在25～35 MPa之間，平均峰值為30.86 MPa，壓裂時間范圍在20～45 min之間，平均每次壓裂時間約28.6 min。

4 效果分析

4.1 典型水壓力曲線分析

施工過程中典型的水壓力曲線如圖6所示。水壓力變化過程整體可分為如下六個階段：①系統(tǒng)充水階段，開啟高壓泵后管路、鉆孔及縫隙會逐漸充水，期間水壓力接近0 MPa；②系統(tǒng)增壓階段，當(dāng)管路、鉆孔及縫隙充滿水后，由于高壓泵持續(xù)供水，鉆孔內(nèi)水壓力迅速升高，當(dāng)水壓力升高至約32 MPa時裂縫起裂；③初始起裂擴(kuò)展階段，起裂后由于瞬間形成裂縫空間，水壓力出現(xiàn)下降，隨著供水的持續(xù)，水壓力出現(xiàn)反彈，新裂隙產(chǎn)生，舊裂隙擴(kuò)展，水壓力曲線的總體趨勢為前期波動較大，后期趨于平穩(wěn)，這是因為前期水壓主裂縫擴(kuò)展，裂縫瞬間擴(kuò)容量大，能夠產(chǎn)生明顯的壓力降低，所以水壓力曲線波動較大，后期主要是翼型分支裂紋擴(kuò)展，裂縫擴(kuò)展相對均勻緩慢，裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)形成的空腔擴(kuò)容速度與高壓泵的泵注速度達(dá)到動態(tài)平衡，所以水壓力曲線相對平緩；④裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展階段，此階段主要克服細(xì)砂巖的拉應(yīng)力，當(dāng)裂縫擴(kuò)展至巖體物理力學(xué)性質(zhì)較弱的區(qū)域，水壓力將降低， 當(dāng)擴(kuò)展至較堅硬區(qū)域，水壓力將增高，由于巖層相對均勻，因此水壓力在一定范圍內(nèi)波動；⑤系統(tǒng)泄壓階段，當(dāng)相鄰壓裂孔出水時說明水壓裂縫已擴(kuò)展至相鄰鉆孔附近，壓裂半徑為20 m左右，此時開始逐漸對系統(tǒng)進(jìn)行泄壓操作；⑥關(guān)泵停水階段，此時關(guān)閉高壓泵控制開關(guān)，打開泄壓閥，停止壓裂作業(yè)。

圖6 典型的壓裂施工水壓力曲線

4.2 現(xiàn)場效果

壓裂完成后若有大量水沿本孔涌出，說明壓裂裂縫較為發(fā)育，在管路卸壓后，壓裂裂縫受地應(yīng)力影響逐漸閉合，而裂縫中的高壓水就會沿裂縫返回鉆孔并涌出。壓裂回風(fēng)大巷中的S12鉆孔時，鉆孔漏水量較少(圖7(a))，關(guān)泵后，鉆孔則涌出了大量顏色渾濁的水(圖7(b))，說明該鉆孔的壓裂效果較好。

圖7 S12鉆孔壓裂期間出水情況

在壓裂過程中，相鄰鉆孔和壓裂孔附近的錨桿、錨索及圍巖的滲水情況也可以幫助判斷壓裂效果的好壞，同時還可以據(jù)此大概判斷水壓裂縫發(fā)育范圍。例如，在壓裂工作面回撤通道的P6鉆孔時，在距P6鉆孔水平距離20 m的P5鉆孔有泥水滲出形成水痕(圖8)，鉆孔附近9 m處的頂板也有水滲出(圖9)。說明在目標(biāo)巖層中形成水壓裂縫后，單個壓裂孔的水壓裂縫在巖層中的水平擴(kuò)展距離至少為20 m。傳統(tǒng)的裂縫擴(kuò)展范圍主要根據(jù)鉆孔出水判斷，受巖體特性的影響大。本次壓裂施工中借助水力致裂測控儀，可以通過水壓力變化及巖層強(qiáng)度特征判斷裂縫發(fā)育過程以及擴(kuò)展范圍，及時反饋調(diào)整施工參數(shù)，從而達(dá)到較好的切頂效果。

圖8 P6鉆孔壓裂期間相鄰P5鉆孔出水情況

圖9 P6鉆孔壓裂期間附近頂板出水情況

在壓裂施工過程中，壓裂高位細(xì)砂巖層時只有壓裂鉆孔和相鄰鉆孔出水，但在壓裂低位細(xì)砂巖層時，除壓裂鉆孔和相鄰鉆孔外，壓裂孔附近圍巖也存在滲水情況(圖9)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是壓裂目標(biāo)巖層與壓裂孔口的距離不同，在壓裂處于高位的細(xì)砂巖層時，高壓水會沿裂隙帶或者巖層層理溝通相鄰鉆孔，實現(xiàn)泄壓，因此水壓裂縫擴(kuò)展范圍有限，裂縫并不能向下貫穿多個巖層層理抵達(dá)幾十米外的巷道頂板。但是，在壓裂處于低位的細(xì)砂巖層時，其與巷道頂板之間的巖層厚度僅為3.9 m，以泥巖為主，同時受采動影響，回撤通道前方的頂板裂隙較為發(fā)育，因而水壓裂縫能將其貫穿，從而使得壓裂孔附近的巷道頂板出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。

從現(xiàn)場施工效果來看，水壓力實時監(jiān)測數(shù)據(jù)較好地反映了裂縫在目標(biāo)巖層中擴(kuò)展的過程。壓裂鉆孔和相鄰鉆孔的出水現(xiàn)象反映了高壓水成功在目標(biāo)巖層中形成了裂縫，兩層厚硬細(xì)砂巖層得到了有效的弱化，切頂效果良好。

4.3 大巷變形情況

在采區(qū)煤層回風(fēng)大巷和工作面回撤通道水力壓裂頂板后，在南一1煤層采區(qū)底板膠帶機(jī)巷、南一1煤層采區(qū)煤層回風(fēng)大巷及南一1煤層采區(qū)頂板軌道巷各布設(shè)9個測點監(jiān)測巷道變形情況(圖10)，測點間距均為40 m，監(jiān)測頻率平均每周一次，共持續(xù)觀測93 d。

圖10 工作面附近大巷變形觀測點位置

巷道變形監(jiān)測結(jié)果顯示，13521工作面附近采區(qū)大巷變形整體較小，并逐漸趨于穩(wěn)定(圖11)。其中，頂板軌道巷頂?shù)装遄畲笞冃瘟繛? cm，兩幫變形量最大為5 cm(圖11(a)和圖11(b))，煤層回風(fēng)大巷頂?shù)装遄畲笞冃瘟繛? cm，兩幫變形量最大為3 cm(圖11(c)和圖11(d))，底板膠帶機(jī)巷頂?shù)装遄畲笞冃瘟繛? cm，兩幫變形量最大為2 cm(圖11(e)和圖11(f))。根據(jù)巷道變形的監(jiān)測結(jié)果，水力壓裂試驗段的大巷在本工作面開采期間以及開采后的變形量都很小，巷道圍巖變形得到了有效控制(圖12)。表明通過水力壓裂弱化破斷煤層上覆兩層關(guān)鍵厚硬巖層后，成功切斷了采動應(yīng)力向采區(qū)大巷的傳遞路徑，從而降低了大巷圍巖的支承壓力，有效減少了巷道變形。

圖11 工作面附近采區(qū)大巷形變監(jiān)測結(jié)果

圖12 頂板壓裂后工作面附近大巷的變形情況

4.4 其他間接效果

在工作面回采過程中發(fā)現(xiàn)，水力壓裂作業(yè)后，由于對工作面超前頂板巖層進(jìn)行壓裂應(yīng)力轉(zhuǎn)移，13521工作面兩側(cè)順槽進(jìn)料聯(lián)巷圍巖支承應(yīng)力明顯下降，巷道變形量很小，有利于巷道的維護(hù)和保留，繼續(xù)服務(wù)后期相鄰工作面的回采作業(yè)，同時在不需要臥底的情況下巷道高度就能保證設(shè)備撤出，大幅減少了工作量，縮短了回撤工期。

此外，水力壓裂技術(shù)的強(qiáng)適用性以及成套設(shè)備的可復(fù)用性，使得技術(shù)使用成本大幅降低，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著。壓裂全過程采用水力致裂測控儀實時監(jiān)測水壓力曲線，可以及時反饋壓裂效果并調(diào)整施工參數(shù)，避免施工的盲目性，實現(xiàn)了壓裂效果可靠，壓裂過程人為可控，壓裂作業(yè)安全無風(fēng)險，有效促進(jìn)了礦井的安全生產(chǎn)。

5 結(jié) 論

1) 通過采用水力致裂測控儀實時監(jiān)測和記錄壓裂期間的水壓力數(shù)據(jù)，可以及時調(diào)整施工參數(shù)，確保壓裂作業(yè)過程安全，效果可靠。此外，水壓力動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)良好地反映了水力裂縫在目標(biāo)巖層中的擴(kuò)展發(fā)育過程，典型的水壓力曲線可以分為六個階段：系統(tǒng)充水階段、系統(tǒng)增壓階段、初始起裂擴(kuò)展階段、裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展階段、系統(tǒng)泄壓階段、關(guān)泵停水階段。

2) 壓裂過程中的本鉆孔-鄰鉆孔-圍巖三位一體出水現(xiàn)象可以反映壓裂效果的好壞，現(xiàn)場施工現(xiàn)象反映出單孔裂縫擴(kuò)展范圍至少為20 m；同時，受限于水壓裂縫擴(kuò)展范圍，圍巖滲水現(xiàn)象只出現(xiàn)在距離較近的低位巖層壓裂中。

3) 通過在工作面停采前后對頂板高位與低位厚硬巖層進(jìn)行組合致裂，為有效切斷采動應(yīng)力向采區(qū)大巷的傳播路徑提供保障，減輕了采區(qū)大巷受到的采動影響，經(jīng)觀測，13521工作面附近采區(qū)大巷的巷道頂?shù)装搴蛢蓭徒^對變形量都小于5 cm，且逐漸趨于平穩(wěn)，采動大巷圍巖變形問題得到了有效控制。相較于其他壓裂工藝及技術(shù)，本試驗可為具有類似問題的礦井提供技術(shù)參考。