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        堅硬頂板工作面初采深淺孔耦合三維定向水力致裂技術研究

        2023-02-13 04:03:14張京民劉洪晨
        煤炭工程 2023年1期
        關鍵詞:裂孔水力定向

        張京民,孟 波,劉洪晨

        (1.庫車市科興煤炭實業(yè)有限責任公司,新疆 庫車 842099;2.中國礦業(yè)大學 力學與土木工程學院,江蘇 徐州 221116)

        厚層堅硬頂板結構強度高,通常在正常工作面回采過程中,特別是工作面初采階段難以自行垮落[1]。若不及時進行人為干預,頂板懸板面積過大突然垮落,容易形成沖擊地壓,直接造成人員傷亡及采煤機具損毀事故,甚至形成采空區(qū)颶風,誘發(fā)煤塵、瓦斯爆炸等次生災害[2,3]。目前通常采用炸藥爆破、CO2相變致裂以及水力致裂等手段對厚層堅硬頂板進行切割弱化,降低其結構完整性,從而解決大面積懸頂問題[4-7]。傳統(tǒng)堅硬頂板工作面水力致裂切頂技術的原理是通過工作面頂板鉆孔注入高壓水,使孔壁巖石破壞產生裂縫并擴展,達到分層弱化或切斷厚層堅硬頂板,從而改變煤層及頂板冒放性的目的[8-11]。由于水力致裂是連續(xù)對煤巖體做功過程,相比于炸藥爆破和CO2相變致裂等單個鉆孔非定向破巖方法,具有裂縫長度更長、控制范圍更大的優(yōu)點[12,13]。而由于受地應力場、煤巖層結構、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、壓裂時間及泵排量等因素的影響,傳統(tǒng)的水力致裂切頂技術產生的裂縫空間形態(tài)、產狀、孔與孔之間的聯通性等無法有效控制,而且常規(guī)定向鉆孔產生的裂縫垂直于鉆孔軸向,導致堅硬頂板水力致裂切頂往往達不到預期效果。

        地應力的大小和方向對水力致裂裂縫的走向具有決定作用,對于特定的礦區(qū)而言原巖應力場具有自身的大小和方向屬性,該區(qū)域水力致裂裂縫的空間產狀一般要服從這個區(qū)域的地應力分布[14]。研究表明[15-17],采掘、鉆孔等活動可以形成一定范圍的地下空間,從而改變這個區(qū)域的應力場,這為人工誘導水力致裂裂縫擴展方向,從而精細控制頂板空間結構提供了可能。

        榆樹泉煤礦下10煤層1012綜采工作面頂板抗壓強度超過90MPa,單層厚度接近10m,結構完整性高,回采過程中頂板難以垮落,經常出現懸頂問題,對工作面工人和機械安全造成了嚴重威脅。為此,結合該煤礦工程實際,利用深淺孔耦合三維定向水力致裂技術開展了1012工作面外切眼堅硬頂板水力致裂研究。

        1 工程概況

        榆樹泉煤礦1012綜采工作面是下10煤層第4個綜采工作面,近東西走向布置,工作面傾向為近南北向。工作面呈不規(guī)則的長方形布置,傾斜長度122.6m,回采巷道長度745m。下10煤層傾角10°~14°,平均12°,平均煤層厚度4.0m,埋深100.6m,屬全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。工作面煤層頂板以厚層細砂巖、中砂巖、粗砂巖、砂礫巖為主,鈣質膠結,厚度穩(wěn)定。工作面頂板煤巖層情況如圖1所示。

        圖1 1012工作面切眼頂板煤巖層情況

        1012綜采工作面切眼附近頂板取芯、鉆孔窺視以及巖石力學參數測試結果表明,下10煤層頂板具有單層厚度大、結構完整、強度高的顯著特征。其中,基本頂為9.6m厚細砂巖,結構均勻完整,RQD達到了95%以上;基本頂以上的粗砂巖、礫巖互層厚度12.8m,結構整體完整,RQD為75%~90%。頂板巖石力學參數測試結果見表1。

        表1 1012綜采工作面切眼頂板巖石強度測試結果

        2 深淺孔耦合三維定向水力致裂技術

        2.1 技術原理

        水力致裂是通過巖體中鉆孔施加高水壓力使鉆孔孔壁破裂的施工工藝,力學上可以簡化為二維平面內雙向受力無限大平板圓孔受力問題,水力致裂孔壁受力模型如圖2所示。

        圖2 水力致裂孔壁受力模型

        鉆孔切向應力表達式為[3]:

        式中,σθ為孔周切向應力,Pa;σ1為平面內最大主應力,Pa;σ2為平面內最小主應力,Pa;r0為鉆孔半徑,m;r為距鉆孔中心的距離,m;θ為任意徑向與σ1方向的夾角,(°);P為注水壓力,Pa。

        當r=r0時,即拉裂孔壁周邊應力為:

        σθ=σ1+σ2-2(σ1-σ2)cos2θ-P

        (2)

        當θ=0°時,σθ有最大拉應力:σθ=3σ2-σ1-P。

        當孔周最大拉應力超過巖石抗拉強度時孔壁即發(fā)生開裂,則有:

        P=3σ2-σ1+σt

        (3)

        由上式可知,區(qū)域最小主應力和巖石抗拉強度越小,所需要的鉆孔致裂水壓越低,巖層越容易致裂。

        為了研究水力致裂過程中鉆孔間距對鉆孔附近應力場的影響規(guī)律,利用有限差分數值模擬軟件建立系統(tǒng)鉆孔水力致裂二維仿真模型,模型高度及寬度分別為6m×24m,鉆孔直徑85mm,圍巖力學參數取值見表1,在鉆孔內部對孔壁法向加壓模擬水力致裂過程。間距1.5m和3m條件下圍巖最小主應力如圖3所示。致裂孔間距為3m時,僅有鉆孔周邊圍巖應力發(fā)生變化,孔與孔之間的圍巖最小主應力并未受到影響,仍然為原巖應力狀態(tài);當孔間距為1.5m時,孔與孔之間最小主應力3~3.4MPa等值線出現聯通,最小主應力應力場出現擾動,鉆孔間地應力值小于原巖應力,表明密集鉆孔對巷道圍巖應力場分布特征產生了影響,鉆孔排布方向成為裂縫優(yōu)勢擴展方向。

        圖3 致裂孔最小主應力場

        基于以上考慮,首先根據頂板空間位態(tài)的控制需要,設計和布置應力導向系統(tǒng)深淺孔,改造區(qū)域地應力場,誘導水力致裂裂縫發(fā)育空間產狀。在此基礎上,通過深淺孔耦合水力保壓致裂工藝,分批次、分段致裂頂板,利用封隔器在頂板深部形成水平方向裂縫割斷致裂體與母巖的聯系,方便致裂范圍內巖層垮落,在淺部形成鉆孔間完全聯通的豎向裂隙面,最終將目標巖層與母巖精準剝離,形成三維空間上的潛在自由冒落體,達到精準定向切頂的目的。堅硬頂板煤層初采深淺孔耦合三維定向水力致裂技術原理如圖4所示。

        圖4 深淺孔耦合三維定向水力致裂技術原理

        2.2 技術實施方案

        2.2.1 切頂層位確定

        根據碎脹原理,若要冒落的頂板充填滿采空區(qū),則需要切頂的巖層高度表達式為[18]:

        式中,Hm為切頂高度,m;M為煤層厚度,m;C為回采率;Km為碎脹系數。

        下10煤厚度為4.2m,回采率取0.95,細砂巖碎脹系數為1.4,則有:

        因此,本次需要切頂的高度為9.98m。各巖層結構和碎脹系數見表2。

        表2 下10煤層頂板垮落后碎脹情況

        根據鉆孔揭示的頂板結構可知,下10煤層頂板10~12m范圍內為堅硬均質結構性好的細砂巖巖層,往上為下9煤層和礫巖巖層,二者結構性差含有很多原生裂隙。綜上,確定9.6m厚度細砂巖層作為本次1012工作面外切眼重點水力致裂層位(淺孔垂直深度8m),其上的粗砂巖及礫巖互層為次要水力致裂層位(深孔垂直深度16m)。

        2.2.2 1012工作面外切眼鉆孔壓裂工藝

        為了使壓裂更為充分,1012外切眼頂板預裂鉆孔布置在架前、架后各一組,切眼上口鉆孔開孔位置距軌道運輸巷下幫1.5m。l#孔深度18m,2#孔深度9m,孔間距1.5m,1#孔與2#孔穿插施工,鉆孔傾角65°向切眼下口方向傾斜,與切眼煤墻夾角0°。3#孔深度25m,4#孔深度13m,孔間距1.5m,3#孔與4#孔穿插施工,預裂孔傾角40°向切眼下口方向傾斜,與切眼煤墻夾角0°。1012外切眼內鉆孔壓裂布置如圖5所示。

        圖5 1012外切眼內鉆孔壓裂布置(m)

        切眼回采幫1#類型鉆孔作為深部壓裂孔,2#類型鉆孔作為淺部壓裂孔。1#類型鉆孔總長18m,分4段壓裂,孔口往里14~17m范圍為第一段壓裂區(qū),10~13m范圍為第二段壓裂區(qū),5.5~8.5m范圍為第三段壓裂區(qū),1.5~4.5m范圍為第四段壓裂區(qū)。用雙路封隔器依次對切眼回采幫l#類型鉆孔的前三個鉆孔的第一段壓裂區(qū)進行封孔。壓裂結束后依次將雙路封隔器后退至各自鉆孔的第二段壓裂區(qū)并進行封孔壓裂。而后在1#鉆孔間安裝2#類型鉆孔封隔器進行第三段和第四段的壓裂,而后向前安裝2個2#類型鉆孔封隔器,開展這兩個2#類型鉆孔及其中間1#鉆孔第三段和第四段的壓裂,自此該組鉆孔壓裂結束。隨后依次按組壓裂直至切眼回采幫鉆孔壓裂完成。切眼采空區(qū)側鉆孔使用同樣壓裂工藝。

        3 深淺孔耦合三維定向水力致裂數值仿真

        為了驗證深淺孔耦合三維定向水力致裂技術對堅硬頂板工作面初采的卸壓效果,開展正?;夭杉吧顪\孔耦合三維定向水力致裂條件下工作面初采覆巖結構及應力演化規(guī)律離散元數值仿真。

        3.1 模型建立

        UDEC模型尺寸水平方向寬600m,高度從地表直至下10煤層老底共計123.1m,相關巖石力學參數見表1。在1012外切眼回采幫切頂,切縫深度16m,切頂角度90°,下邊界垂直方向固定,左右邊界水平方向固定。

        3.2 無切頂正常回采

        自然垮落條件下,當回采采空區(qū)跨度達到49m時細砂巖老頂中間上部壓應力集中,下部拉應力出現張開裂隙,高應力集中區(qū)穩(wěn)定在工作面超前35~40m位置,應力集中系數增加至6~7,如圖6所示。同時,切眼采空區(qū)幫應力集中范圍擴大,上部下9煤、礫巖以及中砂巖離層擾動范圍擴大。

        圖6 采空區(qū)跨度49m時采場豎向應力分布(Pa)

        當回采采空區(qū)跨度達到52m時細砂巖老頂出現破斷垮落,同時上部下9煤、粗砂巖、礫巖互層隨之垮落。工作面前方高應力集中區(qū)仍穩(wěn)定在工作面超前35~40m位置,但應力集中系數迅速降低至2~4,如圖7所示?;卷斖蝗坏目迓鋵е孪蛏蠋r層大范圍擾動離層,如此規(guī)模龐大的巖層運移在實際生產過程中會造成采空區(qū)颶風和對液壓支架的強烈沖擊,誘發(fā)頂板事故及煤塵、瓦斯爆炸等次生事故。

        圖7 采空區(qū)跨度52m時采場豎向應力分布(Pa)

        3.3 深淺孔耦合三維定向水力致裂

        深淺孔耦合三維定向水力致裂工藝實施以后,切眼基本頂淺部形成沿巷道走向的豎直貫通裂縫,深部形成水平方向裂隙將厚層頂板分割為薄層。1012工作面回采2.5m即采空區(qū)跨度達到10m時,直接頂中砂巖開始離層垮落,老頂細砂巖出現卸壓并影響上部下9煤和粗砂巖、礫巖互層。工作面超前應力集中區(qū)主要分布在工作面超前40m位置,應力集中系數2~4,如圖8所示。

        圖8 采空區(qū)跨度10m時采場豎向應力分布(Pa)

        當工作面采空區(qū)跨度達到16m時,老頂細砂巖分層出現離層,深淺孔裂隙出現貫通,基本頂被切割為自由體在重力作用下沿切頂線垮落。采場應力發(fā)生大范圍調整,超前應力集中區(qū)應力降低為3,如圖9所示。

        圖9 采空區(qū)范圍16m時采場豎向應力分布(Pa)

        隨著工作面回采,采空區(qū)范圍達到25m時,工作面超前應力集中區(qū)向前移動,主要分布在工作面超前25m位置,應力集中系數2~4,如圖10所示。

        圖10 采空區(qū)范圍25m時采場豎向應力分布(Pa)

        工作面回采16.5m時采空區(qū)跨度達到34m,老頂細砂巖再次冒落,同時上覆下9煤和粗砂巖礫巖互層隨之向上冒落出現穹窿形,采空區(qū)碎石逐漸被壓實。工作面超前應力集中區(qū)主要分布在工作面超前20~30m,應力集中系數2~3,如圖11所示。

        圖11 采空區(qū)跨度34m時采場豎向應力分布(Pa)

        綜合切眼覆巖垮落規(guī)律、垮落步距及超前集中應力分布情況可知:深淺孔耦合三維定向水力致裂技術可以有效促進頂板分層垮落,減小覆巖初次垮落步距,降低工作面來壓強度及工作面超前集中應力峰值。

        4 實施效果

        4.1 壓裂曲線

        為統(tǒng)計壓裂時間、致裂壓力以及水流量,本次壓裂在高壓泵和封隔器之間設置了壓力流量傳感器。由觀測結果可以看出,隨著高壓泵逐級加壓,水壓迅速上升至16.5MPa,短暫穩(wěn)定后突增至18MPa,而后迅速跌落,穩(wěn)定在15.2MPa左右直至壓裂結束。因此,確定該處地層致裂壓力為18MPa。

        鉆孔致裂壓力與鉆孔深度、鉆孔巖性以及孔壁完整程度等因素密切相關。本次1012外切眼壓裂孔總數為140個,致裂壓力均不相同,各鉆孔水力致裂壓力峰值情況如圖12所示。由圖12可知,鉆孔水力致裂壓力峰值具有兩個顯著特點:第一,靠近下端頭位置鉆孔致裂壓力均比靠近上端頭側高,這是由于工作面越靠近上端頭側地勢越高,且越接近火燒區(qū)巖層的結構完整性越差,這與鉆孔窺視的結果吻合;第二,第二段和第三段的致裂壓力要高于第一段和第四段。這是由于第一段粗砂巖與礫巖互層空隙較大,結構完整性和強度均低于細砂巖,其次第四段靠近孔口位置,約束圍壓較小,且受到切眼開挖卸荷效應影響結構出現了一定損傷,因此致裂壓力比較小。

        圖12 各鉆孔水力致裂壓力峰值曲線

        4.2 鉆孔窺視

        為評估水力致裂工藝的致裂效果,在壓裂后對鉆孔孔壁進行了孔內攝像觀測。觀測結果表明,水力致裂實施后,鉆孔孔壁在壓裂段出現了明顯的對稱軸向劈裂裂縫,長度為1.5~4m,裂縫方向與切眼走向一致。另外,相鄰孔淺孔范圍裂縫位置和走向基本一致,說明相鄰鉆孔間淺部的裂縫出現了貫通,形成了沿切眼走向的裂隙面,壓裂效果非常好。

        4.3 頂板淋水情況

        頂板壓裂后水流沿著裂隙流出,出水位置和水量在一定程度上能夠反映裂隙擴展的空間形態(tài)以及切頂的效果?,F場觀測結果表明,壓裂后頂板淋水特征與壓裂層位密切相關。深部壓裂時(壓裂位置15m和12m),具有壓裂時間長、淋水時間晚、出水位置遠的顯著特征。如第14號支架鉆孔壓裂深度為15m時,壓裂時間超過30min后,周邊鉆孔仍然沒有淋水,最終發(fā)現距離壓裂點35m遠的1012下巷端頭位置鉆孔出水且單孔出水量極大,這表明深部壓裂裂縫擴展方向主要為水平方向且裂隙導通性好。淺部壓裂時(壓裂位置8m和4m),具有壓裂時間短、臨近孔出水多以及由近及遠漸進出水的特點。壓裂開始后很短時間保壓鉆孔相鄰的鉆孔即發(fā)生出水,隨著壓裂的持續(xù)進行,壓裂孔附近的錨索孔及錨桿孔也發(fā)生淋水,最終支架下方大面積淋水,表明淺部壓裂位置壓裂孔、錨索孔及錨桿孔之間發(fā)育了密集導水裂隙,水力致裂達到了較為理想的效果。

        4.4 頂板垮落效果

        1012工作面回采過程中現場礦壓顯現及液壓支架壓力數據觀測結果表明,當工作面回采8m時直接頂中砂巖出現垮落,回采16.3m時液壓支架增阻明顯,工作面煤壁出現片幫,基本頂全部垮落,工作面初次來壓,來壓動載系數平均為1.52。與采用相同采煤工藝的1204綜放工作面相比,采用深淺孔耦合三維定向水力致裂工藝后工作面初次垮落步距縮短了41.7m,動載系數降低了32%,水力致裂效果明顯。

        5 結 論

        1)深淺孔耦合三維定向水力致裂技術通過系統(tǒng)布置的密集鉆孔可以改造區(qū)域地應力場,誘導水力致裂裂縫發(fā)育空間產狀。通過深淺孔耦合水力保壓致裂工藝,分批次、分段致裂頂板,在頂板深部形成水平方向裂縫割斷致裂體與母巖的聯系,在淺部形成鉆孔間完全聯通的豎向裂隙面,最終將目標巖層與母巖精準剝離,形成三維空間上的潛在自由冒落體,達到精準定向切頂的目的。

        2)數值仿真結果表明,深淺孔耦合三維定向水力致裂工藝實施以后,切眼基本頂淺部形成沿巷道走向的豎直貫通裂縫,深部形成水平方向裂隙將厚層頂板分割為薄層,可以有效促進頂板分層垮落,減小覆巖初次垮落步距,降低工作面來壓強度及工作面超前集中應力峰值。

        3)現場實施結果表明,1012工作面外切眼頂板致裂壓力與巖層巖性、結構完整性以及層位密切相關。水力致裂實施后,鉆孔孔壁在壓裂段出現了對稱的軸向劈裂裂縫,裂縫方向與切眼走向一致。深部壓裂裂縫擴展方向主要為水平方向且裂隙導通性好,淺部壓裂位置壓裂孔、錨索孔及錨桿孔之間發(fā)育了密集導水裂隙;采用深淺孔耦合三維定向水力致裂工藝后工作面初次垮落步距縮短了41.7m,動載系數降低了32%,水力致裂切頂效果明顯。

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