龐立寧，胡全宏，景巨棟，賈 川，何維勝，侯樹(shù)宏，馮 濤

(1.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013；3.國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司羊場(chǎng)灣煤礦，寧夏 銀川 750411)

在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，水力壓裂切頂卸壓技術(shù)[1-4]是一種常用的防止頂板災(zāi)害事故的手段，在很多方面都有著廣泛應(yīng)用[5-7]，如元寶灣煤礦采用水力壓裂技術(shù)用于防治近距離煤層房柱采空區(qū)下長(zhǎng)壁開(kāi)采動(dòng)壓災(zāi)害[8]，蘆子溝煤礦采用架間水力壓裂提高含夾矸巨厚煤層冒放性[9]。而以上卸壓技術(shù)均采用的是常規(guī)水力壓裂技術(shù)，常規(guī)水力壓裂切頂卸壓技術(shù)主要采用普通履帶式液壓鉆機(jī)或架柱式鉆機(jī)，存在如下缺陷：鉆機(jī)移動(dòng)頻繁，耗費(fèi)人力，且長(zhǎng)期占據(jù)部分巷道斷面，對(duì)人員和車(chē)輛的通行以及通風(fēng)阻力都產(chǎn)生了一定干擾和影響；只能覆蓋巷道兩側(cè)有限區(qū)域，當(dāng)工作面長(zhǎng)度較長(zhǎng)或采場(chǎng)面積較大時(shí)候，采場(chǎng)中部絕大部分區(qū)域覆蓋不到，遠(yuǎn)場(chǎng)堅(jiān)硬厚巖層不能得到有效處理，這極大地限制了水力壓裂卸壓范圍和效果；由于沒(méi)有定向測(cè)量系統(tǒng)，當(dāng)鉆孔深度較大時(shí)，鉆孔軌跡很容易跑偏，達(dá)不到預(yù)先設(shè)計(jì)的層位；鉆場(chǎng)較多，每次鉆孔開(kāi)孔均對(duì)巷道支護(hù)產(chǎn)生一定負(fù)面影響。近年來(lái)，一種新型的井下超長(zhǎng)水平孔區(qū)域壓裂卸壓技術(shù)得到了快速發(fā)展[10-13]，夏永學(xué)等[14-17]采用該技術(shù)用于沖擊地壓回采巷道卸壓防沖，王東攀等[18-20]采用該技術(shù)用于沿空留巷圍巖控制。本文以羊場(chǎng)灣煤礦130208深埋厚硬頂板工作面為研究對(duì)象，研究了定向長(zhǎng)水平孔區(qū)域壓裂強(qiáng)礦壓防治技術(shù)及應(yīng)用效果。

1 工作面開(kāi)采條件

羊場(chǎng)灣煤礦130208綜放工作面標(biāo)高+717.1～+825.1 m，地面標(biāo)高+1409～+1426 m，工作面距地面垂直深度在600.9～691.9 m之間，平均垂深646.4 m。工作面上臨130206工作面采空區(qū)，之間留設(shè)煤柱35 m，下部為原始煤層未進(jìn)行采動(dòng)。130208工作面長(zhǎng)度200 m，可采長(zhǎng)度1160 m，煤層厚度8.2～9.4 m(平均8.8 m)，煤層傾角19°～25°(平均22°)，130208工作面煤層綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 130208工作面煤層綜合柱狀圖

130208綜放工作面共布置115臺(tái)液壓支架，中間支架型號(hào)為ZF13000/25/43D，安全閥開(kāi)啟值為43 MPa。130208工作面在推進(jìn)過(guò)程中有較強(qiáng)動(dòng)載顯現(xiàn)，且出現(xiàn)過(guò)多次強(qiáng)動(dòng)載顯現(xiàn)后支架不保壓現(xiàn)象。

2 工作面區(qū)域水力壓裂設(shè)計(jì)方案

2.1 壓裂層位確定

根據(jù)關(guān)鍵層理論確定工作面上覆巖層的分布特征及基本頂位置，并對(duì)其破斷特征進(jìn)行分析，根據(jù)關(guān)鍵層的特征，可得：

(qn+1)x<(qn)x

根據(jù)組合梁原理得出煤層上覆n層巖層對(duì)第1層巖層的載荷計(jì)算式，可以得到(qn)1：

式中，(qn)1為第n層巖層對(duì)第1層影響形成的載荷，MPa；hn為第n層巖層的厚度，m；En為第n層巖層彈 性模量，GPa；γn為第n層巖層的體積力，kN/m3；α為工作面傾角，(°)。

經(jīng)對(duì)比分析，可將130208綜放工作面基本頂所承受的載荷看作均布荷載，由此可根據(jù)上述公式計(jì)算工作面開(kāi)采周期來(lái)壓步距，由于工作面傾角α=23°，因此在計(jì)算時(shí)將q調(diào)整為垂直于巖層方向的分量q=γhcosα。

根據(jù)130208綜放工作面地質(zhì)鉆孔的地層分布情況(見(jiàn)圖1)，結(jié)合典型煤礦巖層物理力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)值(見(jiàn)表1)，計(jì)算確定關(guān)鍵巖層。

q1=γ1h1cosα=79.1814 kPa

即得出第一層硬巖層為中砂巖。

q2=γ2h2cosα=429.8551 kPa

=485.2390 kPa>(q3)2

=23.9628 kPa<(q4)2

由此得出第二層硬巖層為粗粒砂巖層。

綜上分析，頂板上方18.1 m厚的中砂巖層和62.8 m厚的粗砂巖層是關(guān)鍵層，需要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的壓裂弱化處理，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)反饋，厚度18.1 m的中砂巖層在工作面推進(jìn)過(guò)程中垮落相對(duì)及時(shí)，因此本方案設(shè)計(jì)的區(qū)域壓裂主要針對(duì)62.8 m厚粗粒砂巖層。

2.2 起裂壓力估算

水力壓裂破巖裂縫的形成和延伸是一種力學(xué)行為，其機(jī)理符合最大拉應(yīng)力破壞準(zhǔn)則。水力壓裂是利用高壓泵組，以超過(guò)巖層吸液能力的排量將液體泵入圍巖而產(chǎn)生高壓，當(dāng)該壓力超過(guò)鉆孔附近地應(yīng)力并達(dá)到巖體抗拉強(qiáng)度，使的鉆孔附近圍巖產(chǎn)生裂隙，繼續(xù)注入液體使得水力裂縫逐漸延伸。

綜合煤炭開(kāi)發(fā)和石油開(kāi)采領(lǐng)域?qū)嵺`經(jīng)驗(yàn)，加之理論力學(xué)研究，水力壓裂業(yè)內(nèi)普遍接受的巖層破裂壓力計(jì)算公式有兩個(gè)：一是基于Hubbert-Willsi非滲透性地層破裂壓力計(jì)算公式，該公式計(jì)算的巖層破裂壓力偏大，如式(1)所示；二是與之對(duì)應(yīng)的巖層破裂壓力偏小的Haimson-Fairhurst公式，如式(2)所示。

Pb=3σh-σH+T-pi

(1)

式中，σh為最小水平主應(yīng)力，MPa；σH為最大水平主應(yīng)力，MPa；T為巖石抗拉強(qiáng)度，MPa；pi為原始地層孔隙壓力；η=φ(1-2ν)/2(1-ν)，其中，φ為巖層空隙度；ν為巖層泊松比。

羊場(chǎng)灣煤礦地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。參考西安科技大學(xué)給羊場(chǎng)灣煤礦出具的檢測(cè)報(bào)告，中砂巖抗壓強(qiáng)度為31.93 MPa，細(xì)砂巖抗壓強(qiáng)度29.89 MPa，粉砂巖抗壓強(qiáng)度43.46 MPa，其抗拉強(qiáng)度按照抗壓強(qiáng)度的十分之一計(jì)算，羊場(chǎng)灣煤礦頂板巖層抗拉強(qiáng)度值最大為4.35 MPa，最保守狀態(tài)下可以假定原始地層空隙壓力pi為0，由此得出巖層破裂壓力最大為Pb=3σH-σH+T-pi=13.98 MPa。

表2 地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果 MPa

2.3 鉆機(jī)和壓裂泵選型

根據(jù)羊場(chǎng)灣礦的實(shí)際條件，理論計(jì)算的起裂壓力，鉆孔施工和壓裂設(shè)備的主要選型配套見(jiàn)表3。

表3 主要施工設(shè)備

2.4 定向長(zhǎng)水平孔布置方案

130208工作面區(qū)域長(zhǎng)水平孔定向壓裂鉆孔布置如圖2所示。鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)表4，壓裂鉆孔共計(jì)7個(gè)，鉆孔在變平段每隔30 m壓裂一次，單次壓裂時(shí)間在30～60 min，具體根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)泵站壓力、流量變化和鉆場(chǎng)附近出水情況確定。

表4 定向切頂鉆孔初始設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 130208工作面長(zhǎng)水平孔定向壓裂鉆孔布置

在實(shí)際壓裂過(guò)程中，泵站壓力最高可達(dá)11～25.5 MPa不等。裂隙的不同擴(kuò)展形式反映到壓裂曲線(xiàn)上會(huì)呈現(xiàn)不同形態(tài)，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)到的“壓力-流量-時(shí)間”變化曲線(xiàn)，可總結(jié)為三種，分別是“降壓穩(wěn)定型”、“不穩(wěn)定波浪型”、“密集鋸齒型”三種形態(tài)。其中，當(dāng)巖層比較致密時(shí)，壓裂初期會(huì)產(chǎn)生較明顯的壓降，稱(chēng)之為“降壓穩(wěn)定型”，如圖3(a)所示；當(dāng)巖層不均質(zhì)、各處滲透率變化較大時(shí)，或者有原生裂隙結(jié)構(gòu)面的存在，使得壓裂曲線(xiàn)呈現(xiàn)不規(guī)則抖動(dòng)，稱(chēng)之為“不穩(wěn)定波浪型”，如圖3(b)所示；“密集鋸齒型”表明裂縫每次都以近乎相同并且相對(duì)較小的尺寸不斷擴(kuò)展，如圖3(c)所示?！安环€(wěn)定波浪型”和“密集鋸齒型”兩種形態(tài)的壓裂曲線(xiàn)不會(huì)出現(xiàn)壓力驟降現(xiàn)象，側(cè)面反映出該位置的巖層不是十分致密、存在原生裂隙或者巖層較軟，無(wú)需有明顯的起裂壓力。原生裂隙的存在，使得裂隙尖端在較小的起裂壓力下即可擴(kuò)展。

圖3 三種典型的水力壓裂曲線(xiàn)

3 區(qū)域壓裂效果分析

3.1 壓裂前后礦壓顯現(xiàn)對(duì)比分析

5月25日，130208工作面尚未進(jìn)入壓裂區(qū)域，當(dāng)日工作面位置距離切眼632.6 m；6月14日，工作面進(jìn)入壓裂區(qū)域，推進(jìn)度為696 m；截至7月6日，推進(jìn)度為770 m，工作面進(jìn)入壓裂區(qū)域內(nèi)74 m。以5月25日—7月6日時(shí)間區(qū)間內(nèi)130208工作面1#—108#液壓支架每臺(tái)支架的日最大工作阻力為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，繪制了工作面支架壓力云圖，如圖4所示?？梢钥闯觯ぷ髅孢M(jìn)入壓裂區(qū)域前，50#—70#支架周期來(lái)壓幾乎連在了一起，即上次來(lái)壓尚未完全結(jié)束下次來(lái)壓就已開(kāi)始，來(lái)壓持續(xù)距離可達(dá)20m，而進(jìn)入壓裂區(qū)域后，支架壓力明顯降低、礦壓顯現(xiàn)也有所緩和，每次周期來(lái)壓也相對(duì)能較明顯的區(qū)分。

圖4 5月25日至7月6日進(jìn)入壓裂區(qū)域前后支架壓力(選取支架日最大載荷)

為了定量分析130208工作面進(jìn)入壓裂區(qū)域前后的周期來(lái)壓規(guī)律，從而來(lái)驗(yàn)證區(qū)域水力壓裂效果，選取了10#、20#、30#、40#、50#、60#、70#、80#、90#、100#十個(gè)支架4月1日—5月15日期間(壓裂前)和6月13日—7月7日期間(壓裂后)的礦壓數(shù)據(jù)分析對(duì)比了工作面進(jìn)入壓裂區(qū)域前后的周期來(lái)壓步距、來(lái)壓期間最大載荷平均值、動(dòng)載系數(shù)，具體見(jiàn)表5。從表5可以看出，除了20#支架外(原始數(shù)據(jù)缺失)，其余支架的周期來(lái)壓步距、來(lái)壓時(shí)平均載荷、動(dòng)載系數(shù)都有所減小。

表5 壓裂前后各支架來(lái)壓參數(shù)對(duì)比

3.2 壓裂前后支架增阻對(duì)比分析

支架增阻可以擬合成三種典型函數(shù)曲線(xiàn)，如圖5所示。130208工作面進(jìn)入壓裂區(qū)域前后各支架增阻情況對(duì)比見(jiàn)表6，可以發(fā)現(xiàn)，壓裂后工作面支架(10#支架除外)來(lái)壓期間增阻較壓裂前來(lái)壓期間增阻有明顯降低，指數(shù)函數(shù)增阻曲線(xiàn)比例明顯減?。粔毫押蠊ぷ髅嬷Ъ芊莵?lái)壓期間增阻較壓裂前非來(lái)壓期間增阻部分有略微增加、部分有略微減小，無(wú)太大明顯變化。該規(guī)律在一定程度上反映了壓裂后工作面來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)明顯降低。

表6 壓裂前后支架增阻情況對(duì)比

3.3 壓裂前后超前支承壓力對(duì)比分析

為了從超前支承壓力影響范圍和集中系數(shù)角度驗(yàn)證區(qū)域水力壓裂效果，選取了工作面進(jìn)入壓裂區(qū)域前的17#、24#、27#應(yīng)力計(jì)數(shù)據(jù)(其余曲線(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)效或誤差較大)以及進(jìn)入壓裂區(qū)域后的48#應(yīng)力計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果分別如圖6、圖7所示。

圖6 未壓裂區(qū)域應(yīng)力計(jì)應(yīng)力值變化曲線(xiàn)

圖7 壓裂區(qū)域內(nèi)應(yīng)力計(jì)應(yīng)力值變化曲線(xiàn)

1)17#應(yīng)力計(jì)：1月28日，工作面推進(jìn)位置為218 m，2月20日工作面推進(jìn)位置為294 m。超前支承壓力影響范圍為76 m，應(yīng)力峰值為30 MPa，初始打壓應(yīng)力為5.2 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)5.77。

2)24#應(yīng)力計(jì)：2月17日，工作面推進(jìn)位置為281 m，3月15日工作面推進(jìn)位置為376 m。超前支承壓力影響范圍為95 m，應(yīng)力峰值為28～40 MPa，初始打壓應(yīng)力為6.1 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)4.6。

3)27#應(yīng)力計(jì)：3月4日，工作面推進(jìn)至330 m，3月30日工作面推進(jìn)至435 m。超前支承壓力影響范圍為105 m，應(yīng)力峰值為27.3 MPa，初始打壓應(yīng)力為4.9 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為5.6。

4)48#應(yīng)力計(jì)：6月15日，工作面推進(jìn)至699.4 m，7月9日工作面推進(jìn)至773.7 m。超前支承壓力影響范圍為74.3 m，應(yīng)力峰值為13 MPa，初始打壓應(yīng)力為6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.2。

由此可見(jiàn)，130208工作面進(jìn)入壓裂區(qū)域后，工作面超前支承壓力影響范圍和集中系數(shù)都有較明顯的降低。

3.4 壓裂前后高能微震事件對(duì)比分析

為了對(duì)比工作面進(jìn)入壓裂區(qū)域前后高能量微震事件變化情況，自4月13日—7月3日，每隔10 d統(tǒng)計(jì)一次104J及以上微震能量事件的頻次、總能量、平均能量和最大能量，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表7。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：工作面進(jìn)入壓裂區(qū)域以后104J及以上微震能量事件頻次、總能量都有明顯降低。

表7 進(jìn)入壓裂區(qū)域前后104及以上微震事件對(duì)比

3.5 壓裂前后回風(fēng)巷變形量對(duì)比分析

為了直觀(guān)地判斷長(zhǎng)水平孔區(qū)域壓裂效果，統(tǒng)計(jì)了壓裂區(qū)域外五個(gè)測(cè)點(diǎn)(F3、F4、F8、F14、F15)和壓裂區(qū)域內(nèi)三個(gè)測(cè)點(diǎn)(F18#、24#、23#)的每日巷道頂板下沉量、底鼓量、煤柱側(cè)幫鼓量、回采側(cè)幫鼓量。壓裂前后各選35天的巷道日變形量見(jiàn)表8。水力壓裂后巷道頂?shù)装逡平恐辽贉p少了277 mm，兩幫移近量減少了93.1 mm。

表8各測(cè)點(diǎn)巷道變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對(duì)比

4 結(jié) 論

1)針對(duì)羊場(chǎng)灣煤礦130208深埋厚硬頂板工作面回采過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)劇烈問(wèn)題，采用長(zhǎng)孔區(qū)域水力壓裂技術(shù)對(duì)關(guān)鍵致災(zāi)巖層卸壓，通過(guò)關(guān)鍵層理論計(jì)算得出采場(chǎng)上覆62.8 m厚粗粒砂巖層為卸壓目標(biāo)層，基于Hubbert-Willsi 非滲透性地層破裂壓力計(jì)算公式得到最大起裂壓力為13.98 MPa。

2)長(zhǎng)孔區(qū)域水力壓裂技術(shù)實(shí)施后效果明顯，主要體現(xiàn)以下幾點(diǎn)：支架周期來(lái)壓步距、來(lái)壓時(shí)平均載荷、動(dòng)載系數(shù)、支架增阻率、指數(shù)函數(shù)增阻曲線(xiàn)比例都明顯減?。怀爸С袎毫τ绊懛秶皯?yīng)力集中系數(shù)明顯降低；104J及以上微震能量事件的頻次、總能量明顯減??；巷道變形量有所減小。