劉興安,韓 彪,魏 斌

(1.陜西神木神源煤炭礦業(yè)有限公司,陜西 榆林 719000;2.中煤科工開采研究院有限公司,北京 100013;3.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013)

0 引言

水力壓裂是近年來我國煤礦應(yīng)用較多的一種堅(jiān)硬煤巖體處理技術(shù),在堅(jiān)硬頂板處理等方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。采用水力壓裂弱化堅(jiān)硬頂板是近幾年來研究和應(yīng)用的一個新方向,該方式具有安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),并且可以在工作面回采前進(jìn)行超前預(yù)裂,不影響工作面生產(chǎn),可顯著提高工作面開采效率。

近年來,隨著陜西省神木市部分礦井資源枯竭,為了提高礦井資源的回收,部分煤礦對大巷煤柱及井田范圍內(nèi)的邊角煤進(jìn)行回收,以創(chuàng)造更高的價值。但在工作面布置上切眼長度較短,回采期間受煤柱影響,工作面采空區(qū)頂板無法充分垮落,給工作面回采造成安全隱患[1]。針對某礦ST5201短壁工作面回采期間受煤柱支撐,采空區(qū)頂板承壓較小,不易垮落,懸頂長度有時甚至超過100 m,易造成采空區(qū)頂板垮落不及時,當(dāng)采空區(qū)面積較大時一次性垮落,造成人員傷亡和設(shè)備損壞的風(fēng)險[2]。針對短壁工作面堅(jiān)硬頂板不易垮落的問題,結(jié)合工作面實(shí)際情況,對該工作面進(jìn)行了水力壓裂頂板弱化試驗(yàn)。為此,通過ST5201工作面水力壓裂放頂進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)分析,以期為類似頂板條件的水力壓裂應(yīng)用提供參考。

1 水力壓裂頂板弱化試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)區(qū)域頂?shù)装迩闆r

陜西省神木市某煤礦正在開采5-2煤層;煤層厚度3.04～4.06 m,平均3.5 m;不含或局部含一層夾矸,一般小于0.25 m。煤層厚度3.35 m,采用綜合機(jī)械化采煤工藝開采。煤層直接頂為中粒砂巖和細(xì)砂巖,厚度23.5 m;老頂為粉砂巖,厚度5.35 m,如圖1所示。煤層埋藏深度為12～129 m,為典型的淺埋深、堅(jiān)硬難垮落頂板條件。

1.2 試驗(yàn)區(qū)域巷道支護(hù)情況

1.2.1 頂部錨桿、掛網(wǎng)支護(hù)

錨桿采用MSGLW-335/20 mm×2 200 mm無縱肋螺紋鋼錨桿。前期錨桿布置以巷道中心點(diǎn)為基點(diǎn),向右偏200 mm打設(shè)一根錨桿,錨桿間排距1 000 mm×1 100 mm,錨桿排列形式為矩形;后期錨桿布置以前期最左側(cè)錨桿為基點(diǎn),間排距1 000 mm×1 100 mm布置錨桿,錨桿排列形式為矩形,每根錨桿使用一支CK2360型樹脂錨固劑進(jìn)行錨固,托盤采用150 mm×150 mm×8 mm高強(qiáng)弧形托盤。前期使用金屬網(wǎng)規(guī)格為4.8 m×1.2 m,后期使用金屬網(wǎng)規(guī)格為3.5 m×1.2 m,金屬網(wǎng)用φ6 mm鋼筋制作,網(wǎng)格為120 mm×120 mm,網(wǎng)與網(wǎng)之間相互搭接不少于100 mm,為便于網(wǎng)片搭接合理,網(wǎng)片搭接處使用14#鐵絲擰結(jié)牢固。錨桿垂直巖面,托盤密貼巖面,懸掛前探梁吊環(huán)的錨桿外露絲露出螺母的長度為30～50 mm,不懸掛前探梁吊環(huán)的錨桿外露絲露出螺母的長度為10～50 mm。

1.2.2 頂部錨索支護(hù)

錨索采用φ17.8 mm×7 500 mm 礦用同心鋼絞線錨索,呈“矩形”布置。第1根錨鎖安設(shè)在距右?guī)? m處,間排距為2 000 mm×3 000 mm,每排共3根錨索,前期每排布置2根錨索,每根錨索使用2支CK2360型樹脂錨固劑進(jìn)行錨固,托盤采用300 mm×300 mm×15 mm高強(qiáng)弧形托盤。巷道開口處、貫通處及四岔口處按雙排錨索支護(hù),支護(hù)范圍不小于10 m,間排距2 000 mm×2 000 mm。

1.2.3 幫錨支護(hù)

巷道兩幫如出現(xiàn)片幫或裂隙,必須及時使用專用長把工具清掉片幫煤,清理好退路,并立即對此段幫部進(jìn)行幫錨支護(hù),支護(hù)范圍要大于此段范圍前后各5 m。煤柱側(cè)采用無縱肋螺紋鋼錨桿支護(hù)。

1.3 水力壓裂技術(shù)介紹

水力壓裂過程是指內(nèi)部液體壓力作用與巖體裂紋使其開裂并向外部擴(kuò)展的過程,水力壓裂技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于石油、天然氣等各個工業(yè)領(lǐng)域[3]。在煤礦堅(jiān)硬頂板弱化方面,水力壓裂技術(shù)是指在鉆孔設(shè)計(jì)壓裂段內(nèi)放入封孔器,將高壓水長時間持續(xù)注入巖體,使巖體產(chǎn)生裂隙,多鉆孔多次預(yù)壓裂使裂隙導(dǎo)通,達(dá)到使堅(jiān)硬頂板弱化的效果,弱化特征主要表現(xiàn)在巖體出水、頂板有響聲等方面,使采空區(qū)頂板垮落能夠分層次,縮短初次來壓和周期來壓步距,達(dá)到減小或消除堅(jiān)硬難垮落頂板對工作面回采危害的目的[4]。

1.4 水力壓裂弱化頂板方案

1.4.1 切眼水力壓裂

切眼處的水力壓裂鉆孔布置分為長孔L、短孔S、加強(qiáng)孔J,各孔型在剖面空間上位于不同的高低層位,以確保裂隙有足夠的擴(kuò)散半徑,較好的破壞巖石完整性,在工作面回采期間采空區(qū)頂板能夠及時冒落充實(shí)采空區(qū)。鉆孔布置及鉆孔剖面如圖2(a)所示。長孔L、短孔S、加強(qiáng)孔J這3種鉆孔布置于工作面前幫,鉆孔朝向工作面回采方向,該設(shè)計(jì)方式為了避免水力壓裂施工期間破壞巷道內(nèi)的支護(hù)強(qiáng)度。壓裂鉆孔L,鉆孔長度35 m,傾角為20°;壓裂鉆孔S,鉆孔長度30 m,傾角為30°;壓裂鉆孔J,鉆孔長度25 m,傾角為40°。

圖2 水力壓裂頂板弱化鉆孔布置平、剖面圖Fig.2 Plane and profile of borehole layout of hydraulic fracturing roof weakening

1.4.2 工作面水力壓裂

工作面在兩順槽端頭超前支護(hù)區(qū)域各布置鉆孔A 2個,鉆孔S 3個,主要針對堅(jiān)硬頂板工作面兩順槽隅角在工作面初次來壓前冒落不充分設(shè)計(jì)。ST5201短壁工作面推進(jìn)過程中頂板垮落存在不連續(xù)性的風(fēng)險,順槽增加布置B孔和C孔2種孔型,對ST5201短壁工作面頂板進(jìn)行弱化處理。鉆孔布置及鉆孔剖面如圖2(b)所示。壓裂鉆孔A,鉆孔長度40 m,傾角為30°;壓裂鉆孔B,鉆孔長度40 m,傾角為20°;壓裂鉆孔C,鉆孔長度40 m,傾角為30°。

2 試驗(yàn)效果監(jiān)測分析

2.1 壓裂前后鉆孔窺視對比

利用鉆孔電視成像儀對壓裂鉆孔壓裂前后進(jìn)行觀測,如圖3所示。通過壓裂前后對比可以看出壓裂前該段頂板較為完整,壓裂后該段巖層裂隙較為明顯,證明水力壓裂可以有效破壞頂板的完整性。

圖3 壓裂前后鉆孔窺視圖Fig.3 Peeping of borehole before and after fracturing

2.2 水力壓裂效果分析

水壓記錄儀壓力曲線如圖4所示。由圖可知,在高壓水的作用下當(dāng)水壓大于巖體該處的抗拉強(qiáng)度時,巖體將發(fā)生破壞,在該處產(chǎn)生裂隙,并逐漸擴(kuò)展,可以從圖中直觀的讀出,裂隙的起縫壓力和擴(kuò)展壓力。壓裂曲線呈現(xiàn)分段狀,這表明壓裂位置是分段移動的,達(dá)到分層壓裂的目的。隨著壓裂位置逐漸靠近孔口,巖體的受力環(huán)境改變,抗拉強(qiáng)度降低,水壓逐漸減小。裂隙能夠在相對恒定壓力的作用下不斷擴(kuò)展,曲線呈現(xiàn)極其緊密的鋸齒狀,表明裂隙每次都以相對較小的尺寸不斷延展[5]。

圖4 水壓記錄儀壓力曲線Fig.4 Pressure curve of hydraulic pressure recorder

從現(xiàn)場壓裂效果看出,當(dāng)壓裂至孔口位置15 m時,距施工地點(diǎn)10 m附近的鉆孔及此范圍內(nèi)的錨桿、錨索均有水流出,可以判定壓裂裂隙的擴(kuò)展范圍約為10 m,形成裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),對頂板的完整性進(jìn)行了破壞,強(qiáng)度進(jìn)行了弱化[6-7]。

2.3 現(xiàn)場垮落效果觀測

工作面推采至機(jī)頭18.9 m、機(jī)尾11.6 m,平均15.25 m時,采空區(qū)部分頂板開始分次垮落,依次垮落順序?yàn)?#～15#、16#～22#、23#～41#,從支架間觀測采空區(qū)垮落比較嚴(yán)實(shí)。當(dāng)工作面推采至20.5 m時,42#支架采空區(qū)向54#支架采空區(qū)依次垮落,垮落比較嚴(yán)實(shí);兩順槽頂板垮落情況如圖5、圖6所示。以后采空區(qū)直接頂緊隨工作面推進(jìn)垮落。工作面在推采過程中液壓支架壓力普遍在28.2～29.5 MPa,最高壓力為30.9 MPa。

圖5 ST5201回風(fēng)順槽隅角冒落情況Fig.5 Caving of ST5201 air-return roadway corner

圖6 ST5201運(yùn)輸順槽隅角冒落情況Fig.6 Caving of ST5201 transportation roadway corner

通過水力壓裂工藝后,采空區(qū)巖石垮落充填高度均超過支架高度,采空區(qū)墊層充分。頂板未見明顯的初次來壓增高現(xiàn)象,整個初采期間來壓比較緩和,推測初次來壓步距為20.5 m,縱觀整個工作面回采過程,本次水力壓裂施工有效的弱化了工作面頂板,保障了工作面回采安全[8-9]。

3 水力壓裂頂板弱化技術(shù)分析

某煤礦ST5201工作面頂板水力壓裂采用后退式單孔多次壓裂的方法,通過預(yù)制定向裂隙,將高壓水注入頂板不同的層位中進(jìn)行定向水力壓裂,破壞頂板完整性、達(dá)到分層、逐步垮落的目的。

圖7為分層水力壓裂技術(shù)示意(單位:m),從工作面一側(cè)及兩順槽回采幫上方肩窩處,沿一定角度α(20°、30°、40°)向頂板上方鉆孔,孔深L(25 m、30 m、35 m、40 m),在孔底位置開始,注水壓裂,結(jié)合頂板巖性情況逐段后退壓裂,通常后退間隔為3 m。位于工作面前方、高層位基本頂內(nèi)的水壓裂隙具有分散轉(zhuǎn)移基本頂上覆巖層載荷的作用,它的存在使得載荷前移,同時緩和了基本頂及其上覆巖層的沉降垮落過程[10]。定向水力壓裂頂板分層垮落技術(shù)可以針對某煤礦超短工作面達(dá)到分層垮落頂板、縮短初次來壓步距、降低工作面礦壓顯現(xiàn)的作用,現(xiàn)場效果良好[11-13]。

圖7 水力壓裂頂板弱化技術(shù)示意Fig.7 Diagram of hydraulic fracturing roof weakening technology

4 結(jié)論

(1)通過對某煤礦ST5201工作面地質(zhì)資料的收集,選定水力壓裂處理的堅(jiān)硬頂板關(guān)鍵層位,并根據(jù)處理層位確定鉆孔參數(shù)及孔間距,以確保裂隙擴(kuò)散半徑符合堅(jiān)定頂板弱化需求。采用分段多次壓裂的方式以達(dá)到頂板分層垮落要求。

(2)在ST5201工作面開展水力壓裂堅(jiān)硬頂板弱化試驗(yàn),對水力壓裂效果及頂板垮落情況進(jìn)行了監(jiān)測和分析,通過對壓裂鉆孔周圍頂板錨索及相鄰鉆孔不同程度的出水情況觀察,確定了裂隙擴(kuò)散范圍符合預(yù)期要求,水力壓裂對工作面堅(jiān)硬頂板弱化方面取得了較好的應(yīng)用效果;初采期間對支架壓力變化的分析得出ST5201工作面來壓步距和強(qiáng)度均有明顯減小,初次來壓支架壓力變化不明顯。

(3)通過對某煤礦ST5201短壁工作面采用水力壓裂頂板弱化技術(shù)的現(xiàn)場觀察與試驗(yàn)分析,水力壓裂頂板弱化技術(shù)特點(diǎn)能夠適用于堅(jiān)硬頂板短壁工作面,總體來說具有超前預(yù)裂不會影響工作面正?；夭?、可控性好、成本低、施工安全性好等特點(diǎn),對于弱化頂板巖性,降低來壓強(qiáng)度方面效果明顯。