水力壓裂技術在迎動壓掘進巷道中的應用

2020-08-03 02:37:30劉少杰馬國偉

山西焦煤科技 2020年5期

劉少杰，馬國偉

(山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西呂梁 033602)

定向水力壓裂技術是波蘭開發的用于煤礦堅硬頂板控制及沖擊地壓防治的方法。我國最早使用該技術的是大同礦區，雖然取得的一定的效果，但由于鉆頭、切縫工具等存在較大問題，使得這項技術沒有得到大面積推廣[1-2]. 相對于爆破控頂技術，水力壓裂技術安全、成本低。近年來，定向水力壓裂技術的快速發展使其在煤礦得到了大規模的推廣和應用[3-5]，主要應用于工作面初次放頂和沖擊地壓防治等，在解決工作面回采時超前集中應力影響方面的應用較少。為解決斜溝煤礦采掘交鋒時，礦壓顯現強烈問題，在該礦18104工作面頂板實施了水力壓裂預裂頂板技術。

1 工程地質概況

18104工作面煤層平均厚度5.19 m，直接頂為泥巖，平均厚度1.45 m，基本頂為砂巖，平均厚度11.07 m，煤層平均傾角為8.8°. 18106工作面和18104工作面相鄰，煤柱留設寬度為20 m. 當迎采巷道18106皮帶巷與18104回采工作面相遇時，迎采巷道受到兩次劇烈擾動，第一次為超前支承壓力的影響，第二次為采空區頂板彎曲下沉活動的影響。采掘交鋒后頂板的二次擾動，是造成巷道大變形的根本原因[6]. 因此，對頂板進行水力預裂，使懸跨的頂板及時垮落，以減少采動影響。

2 水力壓裂預裂頂板設計

2.1 RFPA2D-Flow數值模擬

水力壓裂切頂卸壓的原理是在指定巖層中施工鉆孔，然后在鉆孔中安裝高壓封隔器。當高壓泵啟動時，高壓水會通過管路進入該封隔器，首先促使封隔器兩端的膠囊膨脹，兩端封堵鉆孔。當壓力逐漸升高至10 MPa時，封隔器中間段的壓力單向閥會自動開啟，高壓水通過閥眼進入鉆孔。水壓力逐漸升高至巖層的極限強度時，孔壁開裂，破壞其完整性，弱化其力學性能，降低礦壓顯現。為研究雙孔水力壓裂煤體的增透范圍，利用RFPA2D-Flow軟件分別對孔間距L=7 m、10 m和15 m進行數值模擬分析，為現場水力壓裂方案設計提供依據。其中，施加壓力40 MPa，注入排量3 m3/min，壓裂時間30 min. 水力壓裂模型見圖1.

圖1 水力壓裂布控位置示意圖

模擬得出不同孔間距下煤體雙孔水力壓裂剪應力分布和聲發射特征，見圖2. 從圖2可以看出，隨著孔間距L的增大，孔間煤體的應力疊加作用和裂隙發育程度逐漸減弱，破裂難度增大。當L=7 m時，孔間煤體完全被破壞，裂隙發育程度和連通率最好，煤體得到充分卸壓，孔間聲發射分布非常密集，無任何空白區，增透性最好。當L=10 m時，孔間煤體基本被破壞，孔間聲發射分布比較密集，基本上未出現空白區，但存在局部應力集中帶，增透性較好。當L=15 m時，孔間煤體未被充分破壞，大部分區域裂隙未貫通，有較大區域應力集中帶，孔間聲發射未出現疊加現象，且存在大量空白區，增透性最差。

圖2 煤體破壞過程的應力演化及聲發射特征圖

綜上所述，可以確定18104工作面雙孔水力壓裂鉆孔卸壓增透半徑為7 m左右。

2.2 水力壓裂方案設計

為了減小18106掘進巷道迎18104回采動壓的影響，需要對18104材料巷頂板進行水力預裂，破壞其完整性，弱化其力學性能，促使其斷裂卸壓。水力壓裂預裂頂板示意圖見圖3.

圖3 水力壓裂預裂頂板示意圖

基于斜溝煤礦近幾年深孔爆破切頂卸壓技術實施經驗，通過數值模擬機理分析，確立該次方案：在18104材料巷內向上施工鉆孔，貼煤柱幫施工，開孔位置距幫300～500 mm，深度12 m，鉆孔間距7 m. 鉆孔施工貫穿堅硬頂板，長度為12 m，鉆孔d42 mm，采用配套小孔徑封隔器進行分段壓裂，12 m厚的基本頂分為5段壓裂。為充分壓裂，增大壓裂的破壞面積，促使裂縫的貫通程度增加，鉆孔采用單排布置。

3 井下工況試驗

以現場5#鉆孔實際水力壓裂過程為例，對5#孔實施了5段壓裂，壓裂情況見表1. 對5#鉆孔采用數字全景鉆孔窺視儀窺視，窺視圖見圖4，水力壓裂后2.10～2.66 m出現較為明顯的裂隙帶；導通裂隙主要在4～4.7 m、6～8.7 m、10～11 m發育，裂隙寬度為1～4 mm. 通過實施高壓注水的方式，鉆孔內巖體受到高壓注水壓力作用，巖層淺處沿弱結構面形成破碎帶，巖層深部沿弱節理結構形成裂隙帶。