10-103工作面兩巷水力壓裂切頂卸壓技術(shù)

王瑞捷

(霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 生產(chǎn)技術(shù)部， 山西 霍州 031400)

煤礦井下工作面開采后，受遺留區(qū)段煤柱支撐作用，煤柱附近頂板巖層會(huì)形成一定范圍的懸頂，頂板巖層中礦山壓力未得到釋放，將會(huì)通過遺留煤柱進(jìn)行應(yīng)力傳遞，進(jìn)一步傳遞到底板巖層中，若煤層間距過小，則下煤層的開采會(huì)受到上部煤層遺留煤柱的應(yīng)力傳遞影響，出現(xiàn)應(yīng)力過大，巷道失穩(wěn)，頂板難以控制的現(xiàn)象[1]. 現(xiàn)階段采用頂板預(yù)裂技術(shù)將上方采空區(qū)頂板在固定方向上進(jìn)行破斷，降低下部煤層的應(yīng)力，保證工作面的安全生產(chǎn)[2]. 李永軍等[3]采用FLAC3D和理論分析，通過水力壓裂切頂技術(shù)有效縮短了基本頂來壓步距；張文龍[4]應(yīng)用水壓致裂技術(shù)降低了工作面前方的超前支承壓力；許建平[5]優(yōu)化了干河礦2-209工作面水力壓裂參數(shù)，保證了兩巷的變形穩(wěn)定。為了保障回坡底煤礦11#煤層工作面的安全開采，對(duì)上部煤層10-103工作面兩巷進(jìn)行了水壓致裂切頂研究。

1 工作面概況

回坡底煤礦開采10#煤層和11#煤層，10#煤層平均厚度2.6 m，11#煤層平均厚度3.2 m. 目前，10#煤層正在回采10-103工作面，該工作面處10#煤層埋深282～407 m，與11#煤層的層間距4～6 m，平均5 m. 10-103工作面回采方向右側(cè)為10-106工作面采空區(qū)，10-1062巷與10-1031巷凈煤柱24 m. 11-102工作面位于10-102工作面(已采)正下方，10-102工作面位于10-103工作面回采方向左側(cè)，10-1032巷與10-1021巷凈煤柱25 m. 11-1021巷位于10-102工作面采空區(qū)下，內(nèi)錯(cuò)6 m布置，11-1021巷與10-1032巷凈煤柱31 m.10-103工作面布置圖見圖1，圖2.

圖1 10-103工作面平面布置圖

圖2 10-103工作面立面布置圖

2 相似工作面巷道未切頂時(shí)變形量現(xiàn)狀

10-107工作面與11-105工作面布置情況與10-103工作面與11-102工作面布置情況相似。10-107工作面回采時(shí)，11-105工作面巷道變形破壞嚴(yán)重，11-1051巷受10-107工作面回采影響處頂板下沉量0.5～0.7 m，煤柱側(cè)幫鼓量0.6～0.8 m，底鼓量0.5～0.8 m. 為保證11-105工作面正常回采，采取以下措施：1) 在煤柱側(cè)距底板0.6 m、1.5 m處各施工點(diǎn)錨索，維護(hù)長度450 m，共施工幫錨索152根。2) 頂板正中施工點(diǎn)錨索，維護(hù)長度450 m，共計(jì)施工頂錨索440根。3) 支設(shè)“一梁三柱”420組對(duì)頂板進(jìn)行維護(hù)，排距1 m，壓力顯現(xiàn)嚴(yán)重段排距0.5 m，維護(hù)長度350 m.

為避免11-1021巷受10-103工作面采動(dòng)影響出現(xiàn)頂板壓力過大問題，采用水力壓裂技術(shù)對(duì)頂板巖層進(jìn)行切割卸壓，解決巷道受上層煤工作面開采產(chǎn)生的壓力顯現(xiàn)問題，減少工作面巷道維護(hù)量，確保近距離煤層開采頂板安全。同時(shí)，通過10-103工作面兩巷切頂卸壓，解決11-103工作面開采時(shí)的巷道頂板壓力問題，減少11-103工作面與11-102工作面及11-103工作面與11-104工作面的煤柱尺寸，提高資源回采率，保障11-103工作面安全開采。

3 10#煤工作面采空后煤柱上方巖層結(jié)構(gòu)

3.1 未切頂時(shí)煤柱上方巖層結(jié)構(gòu)

10#煤層工作面回采后，在10#煤層煤柱下即11#煤層圍巖中，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中情況。由于10#煤工作面巷道頂板垮落情況差，難以充填實(shí)采空區(qū)，煤柱兩側(cè)一定范圍的頂板沒有矸石的支撐，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，頂板的壓力全部作用于煤柱上，頂板類似“扁擔(dān)”壓在煤柱這個(gè)支點(diǎn)上，煤柱承受的高壓力會(huì)傳遞到底板中，導(dǎo)致煤柱附近11#煤層圍巖應(yīng)力大，煤柱下圍巖應(yīng)力分布示意圖見圖3. 11#煤工作面巷道布置在10#煤煤柱附近一定范圍內(nèi)時(shí)，巷道圍巖應(yīng)力高，支護(hù)困難，易出現(xiàn)大面積的變形破壞，影響工作面安全、高效回采。

圖3 切頂前煤柱頂板結(jié)構(gòu)及底板應(yīng)力集中圖

3.2 切頂后煤柱上方巖層結(jié)構(gòu)

采用水力壓裂切頂技術(shù)，在10#煤層巷道頂板中進(jìn)行切頂卸壓，切頂效果見圖4. 切頂后頂板垮落效果好，減少了懸臂梁的長度，10#煤層頂板作用在煤柱上的壓力大幅降低，煤柱傳遞到底板上的應(yīng)力也降低，煤柱附近11#煤層圍巖應(yīng)力大小和范圍均降低，其作用：

1) 11#煤工作面巷道布置可以靠近10#煤煤柱下方，甚至可以與10#煤層巷道重疊布置，降低11#煤層工作面煤柱尺寸，提高資源回采率。

2) 降低巷道支護(hù)難度，巷道在11#煤層工作面回采期間不會(huì)出現(xiàn)大面積的變形破壞，一次支護(hù)保證工作面安全、高效回采。

圖4 切頂后煤柱頂板結(jié)構(gòu)及底板應(yīng)力集中圖

4 水力壓裂切頂卸壓設(shè)計(jì)

4.1 地質(zhì)力學(xué)測(cè)試參數(shù)

2014年回坡底煤礦在10-1021工作面巷道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得到測(cè)站垂直應(yīng)力為8.77 MPa，最大水平主應(yīng)力為9.32 MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹51.6°W，最小水平主應(yīng)力為4.99 MPa，巷道軸線為N61°E，與最大水平主應(yīng)力夾角為112.6°.

測(cè)站所在巷道頂板以上10 m范圍內(nèi)巖層依次為泥巖、9#煤層、K2灰?guī)r。泥巖強(qiáng)度為23.17 MPa，9#煤層強(qiáng)度為17.26 MPa，K2灰?guī)r強(qiáng)度為100.39 MPa.

4.2 工作面頂板巖性

10-103工作面10#煤層平均厚2.6 m，煤層傾角1°～9°，平均5°，煤層硬度(f)為0.9～1.1，采用綜合機(jī)械化開采，全部垮落法管理頂板。工作面埋深為368～411 m. 10-103工作面附近煤巖層見表1.

4.3 水力壓裂技術(shù)參數(shù)

水力壓裂技術(shù)具體施工步驟為：1) 根據(jù)頂板巖層結(jié)構(gòu)確定壓裂參數(shù)。2) 水力壓裂鉆孔施工。3) 實(shí)施壓裂，并記錄監(jiān)測(cè)。

表1 10-103工作面區(qū)域煤巖層巖性表

根據(jù)回坡底煤礦10-103工作面具體條件結(jié)合相似工作面鉆孔經(jīng)驗(yàn)，確定水力壓裂技術(shù)參數(shù)：鉆頭d56 mm，鉆桿d42 mm，鉆孔長度為35 m，鉆孔間距為8 m，仰角為50°，與巷道軸向夾角0°. 單孔壓裂9次，壓裂時(shí)間30 min，單孔壓裂間隔3 m.鉆孔布置見圖5.

水力壓裂起裂壓力Pb可由下式進(jìn)行計(jì)算[6]：

圖5 鉆孔布置圖

Pb=3σmin-σmax+σt

式中：

σmin—巖石抗拉強(qiáng)度的最小值，MPa；

σmax—巖石抗拉強(qiáng)度的最大值，MPa；

σt—巖石抗拉強(qiáng)度，MPa.

由于裂紋擴(kuò)展時(shí)的多向性，需考慮一定的富余系數(shù)，確定10-103工作面水力壓裂采用的高壓注水泵壓力為62 MPa，電壓為660 V或1 140 V，電機(jī)功率為90 kW，流量為80 L/min.

4.4 壓裂工藝

封孔器的安裝：連接安裝封孔器，接靜壓水對(duì)封孔器進(jìn)行排氣、試壓，保證運(yùn)作正常，通過高壓膠管將連接好的手動(dòng)泵和儲(chǔ)能器與封孔器連接，連接處“O”型密封圈密封，采用快速連接方式。

水壓儀安裝在高壓膠管和注水鋼管連接處。具體的施工工藝：

1) 安裝、連接、調(diào)試工作結(jié)束后，連接注水鋼管，將封孔器推送至預(yù)定位置(預(yù)裂縫處)，封孔、注水壓裂。采用倒退式壓裂法，即從鉆孔底部開槽處向外依次進(jìn)行壓裂。

2) 手動(dòng)泵加壓封孔器，待壓力達(dá)到10～16 MPa后停止加壓，觀察鉆孔并監(jiān)測(cè)壓力表，檢驗(yàn)封孔器能否保壓，若鉆孔中有水流出或壓力下降明顯，說明封孔失效，檢查封孔器各個(gè)連接處及封孔器本身，找出并解決問題，確保封孔器正常工作。

3) 開啟水壓儀，給高壓水泵先通水再通電，然后慢慢加壓，同時(shí)記錄水泵壓力表、流量計(jì)以及手動(dòng)泵壓力表數(shù)據(jù)，繼續(xù)加壓直至預(yù)裂縫開裂，這時(shí)壓力會(huì)突然下降，保壓注水使裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，保壓注水壓裂時(shí)間根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)壓裂情況確定，若巷道頂板、煤幫或鉆孔中有水滲出或冒出時(shí)，立即停止壓裂。

4) 壓裂結(jié)束后，高壓水泵先斷電再停水，封孔器卸壓，然后退出鉆孔。

5 工業(yè)試驗(yàn)

10-103工作面采用水力壓裂技術(shù)進(jìn)行預(yù)裂頂板巖層，為研究該方案參數(shù)的合理性及巷道圍巖的變形量，在11-102工作面皮帶巷每隔30 m設(shè)置一個(gè)測(cè)站，分別記錄巷道兩幫及頂?shù)装遄冃瘟俊?/p>

通過提取測(cè)站數(shù)據(jù)分析可知，在工作面回采時(shí)，兩幫移近量穩(wěn)定在112 mm，頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在142 mm，相比較10-107工作面未進(jìn)行水力壓裂切頂處理，當(dāng)10-107工作面回采時(shí)11-105工作面巷道發(fā)生較大的變形量500～800 mm. 通過對(duì)10-103工作面進(jìn)行水力壓裂切頂處理，完全可以保證下煤層11-102工作面巷道的安全穩(wěn)定，保障下層煤工作面的正常回采。

6 結(jié) 語

采用水力壓裂技術(shù)對(duì)上層10#煤層巷道頂板卸壓，切頂后頂板垮落效果好，減少了懸臂梁的長度，10#煤層頂板作用在煤柱上的壓力大幅降低，煤柱傳遞到底板上的應(yīng)力也降低。工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明，巷道變形量控制在一定范圍，保證了下層煤的安全開采。水力壓裂切頂卸壓技術(shù)可用于不同層位煤層巷道保護(hù)。