綜采工作面水力壓裂試驗研究與應用

蘇 岳，趙文軍，王利民

(1.山西陽煤集團 新景礦煤業公司， 山西 陽泉 043300； 2.河南理工大學， 河南 焦作 454000)

水力壓裂技術是指在鉆孔壓裂段預制裂縫，控制水力壓裂裂紋擴展方向的技術，對堅硬頂板的控制有著明顯的效果，主要表現在壓裂和軟化兩個方面，以削弱頂板的強度和整體性，使采空區頂板能夠分層分次垮落，縮短初次來壓和周期來壓步距，達到減小或消除堅硬難垮頂板對工作面回采危害的目的[1].

陽煤集團新景煤礦3107工作面輔助進風巷為了降低沿空留巷巷道圍巖高應力，提高沿空留巷巷道安全穩定性，采用了水力壓裂切頂卸壓技術。

1 工作面基本情況

新景礦3107工作面位于保安分區，該工作面進回風巷主要服務于3107工作面。3107工作面東為3105工作面(已采)，南為保安區7208、7210工作面(已采)，西為3109工作面(未掘)，北隔采區大巷3108工作面(未掘)。工作面地面標高1 020～1 215 m，井下標高555～596 m，巷道平均埋深542 m. 3017輔助進風巷沿3#煤層頂板掘進，巷道全長1 487 m，巷道斷面為矩形，凈寬5.0 m，凈高2.8 m，掘進寬度5.2 m，掘進高度2.9 m.

2 煤層基本參數測定

2.1 3#煤層應力測定

在工作面布置測點，測點深度595.3 m，對3#煤層地應力、煤巖體強度和圍巖結構等地質參數進行測定。測試數據顯示，測點所處位置最大水平主應力11.45 MPa，最小水平主應力6.35 MPa，垂直主應力14.88 MPa.測點處垂直應力>最大水平主應力>最小水平主應力，原巖應力場為中等應力值場，垂直應力占優勢，最大水平主應力方向為北偏東51.7°.

2.2 圍巖強度測試及分析

采用WQCZ-56型圍巖強度測試裝置對巷道頂板以上及巷幫10 m范圍內的煤巖體進行原位強度測試[2]. 對測試數據經過統計、換算后，得到該礦頂板和巷幫煤巖體強度分布情況，見圖1，圖2.

圖1 測點處頂板巖體強度及巖性測試結果圖

圖2 測點巷幫頂板強度測試曲線圖

由圖1可知，3#煤層頂板10 m范圍內與錨桿支護直接相關的煤巖體巖性主要以砂質泥巖和中粒砂巖為主，頂板以上0～4.1 m為砂質泥巖，巖層強度平均值為51.34 MPa；4.1～4.8 m為中粒砂巖，巖層強度平均值為92.39 MPa；4.8～6.7 m為砂質泥巖，巖層強度平均值為59.06 MPa；6.7～9.8 m為中粒砂巖，巖層強度平均值為84.07 MPa. 由圖2可知，3#煤體強度值絕大多數集中在8～14 MPa，經計算，其強度平均值為11.49 MPa，煤體中硬，完整性相對較好。

3 水力壓裂參數確定

3.1 壓裂參數初始設計

該礦3107輔助進風巷計劃水力壓裂段長度為300 m，采用單側孔施工。基本施工順序：采用窺視儀觀察頂板巖層結構→確定壓裂參數→壓裂鉆孔施工→實施壓裂→壓裂監測。為不影響工作面正常生產，鉆孔位置距離工作面應大于100 m. 鉆孔參數根據頂板巖層厚度、巖性、礦壓顯現特點與范圍確定。壓裂鉆孔采用雙側布置，工作面側鉆孔在巷幫開孔，簡稱S孔，采用地質鉆機打孔，鉆孔d56 mm，位置距頂板1 m，鉆孔水平投影與巷道軸線方向成16°夾角，仰角為50°，孔間距為10 m，鉆孔長度為50 m，為了保證壓裂過程中巷道頂板安全，鉆孔壓裂深度為11.7～50 m，每3 m壓裂一次，每孔壓裂12～13次，每次不少于30 min.鉆孔在工作面試驗長度見圖3.

圖3 3107輔助進風巷水力壓裂區域圖

3.2 壓裂參數

煤巖體在水力壓裂過程中，高壓水作用于煤體使其產生破裂形成裂縫，用于計算煤巖體的破裂準則較多，適用于水力壓裂的主要有拉伸破壞準則和剪切破壞準則。目前，拉伸破裂準則在裂縫起裂準則中獲得廣泛應用，該準則認為裂縫起裂壓力和起裂角取決于主應力分布狀態[3-4].水力壓裂破裂前的孔周應力主要包括原巖地應力場、孔內流體壓力和鉆孔的集中應力。

根據3#煤層頂板10 m范圍內與錨桿支護直接相關的煤巖體巖性主要以砂質泥巖和中粒砂巖為主，頂板以上0～4.1 m為砂質泥巖，巖層強度平均值為51.34 MPa，3#煤體強度值絕大多數集中在8～14 MPa，經測試計算可知，3#煤體強度平均值為11.49 MPa，考慮裂紋擴展過程中的濾失、變向、多裂縫擴展以及一定的富裕系數，確定高壓注水泵的壓力為62 MPa，流量為80 L/min.

4 現場試驗研究

4.1 鉆孔施工和壓裂情況

根據新景礦采掘銜接安排，3107輔助進風巷水力壓裂卸壓工程首先施工S1號鉆孔，共施工及壓裂鉆孔24個。3107工作面回采時間超前于鉆孔施工，隨著工作面推進逐漸進入壓裂區域，到工作面采過壓裂區域，對回采期間的礦壓監測數據進行收集及分析。

在水力壓裂施工過程中，全程對鉆孔壓裂位置及壓力、出水情況進行監測，S7單排孔施工和壓裂記錄見表1. 由表1可以看出，不同鉆孔壓裂壓力有較明顯的差距，同一鉆孔不同壓裂位置壓裂壓力也不相同。

表1 S7鉆孔水力壓裂記錄表

通過施工可知，該礦鉆孔深部壓裂壓力大于淺部孔壓裂壓力，鉆孔深部壓力基本集中在18～20 MPa，鉆孔淺部壓力基本集中在14～16 MPa. 在鉆孔角度不變的情況下，壓裂壓力主要跟巖體抗拉強度和地應力大小有關，壓裂壓力均低于注水泵的最大壓力62 MPa，鉆孔不同深度下均實現了巖體的張開破壞，降低了巷道頂板50 m范圍內巖體的完整性，壓裂效果良好。通過施工記錄和水壓儀壓力監測曲線可知，每次壓裂壓力較為穩定，說明裂隙已張開，且持續加壓，可以保證裂隙擴展到兩孔之間，現場已將頂板壓裂及注水軟化，在壓裂的過程中，臨孔出水或者頂板淋水，錨桿、索出水，則停止壓裂，證明深部巖體已經形成裂隙，起到了弱化頂板的作用。

4.2 礦壓監測與分析

為驗證水力壓裂切頂卸壓方案實施效果，在3107工作面輔助進風巷水力壓裂地段和非水力壓裂地段布置巷道礦壓綜合監測站，監測內容包括：巷道變形、錨桿錨索受力等，測站布置見圖4.

4.2.1錨索受力監測與分析

在壓裂段共監測兩組錨索受力測站，分別位于圖4中2#測站(推進度550 m處)和5#測站(推進度600 m處)，非壓裂段監測一組錨桿錨索受力測站,位于7#測站(推進度700 m處)，以分析水力壓裂區域和非壓裂區域的錨桿錨索受力變化。2#測站(壓裂段)錨桿錨索受力監測見圖5，5#測站(壓裂段)錨桿錨索受力分析見圖6. 7#測站(非壓裂段)錨桿錨索受力分析見圖7.

圖4 錨索錨桿測站與位移測站布置圖

圖5 2#測點錨索錨桿受力變化圖

圖6 5#測點錨索錨桿受力變化圖

圖7 7#測點錨索錨桿受力變化圖

由圖5可知，2#測站位于水力壓裂段，初始受力頂錨索受力80 kN，頂錨桿受力100 kN，幫錨桿受力75 kN，隨著工作面回采推進，頂錨索和頂錨桿受力均處于持續增加態勢，在距回采工作面80 m左右時開始持續增加，最終受力為頂錨索104 kN，頂錨索受力增加24 kN，頂錨桿最終受力122 kN，受力增加22 kN，幫錨桿最終受力100 kN，受力增加25 kN.

由圖6可知，5#測站位于水力壓裂段，初始受力頂錨索受力120 kN，頂錨桿受力100 kN，幫錨桿受力100 kN，隨著工作面回采推進，頂錨索和頂錨桿受力均處于持續增加態勢，在距回采工作面100 m左右時開始持續增加，最終受力為頂錨索140 kN，頂錨索受力增加20 kN，頂錨桿最終受力125 kN，受力增加25 kN，幫錨桿最終受力117 kN，受力增加17 kN.

由圖7可知，7#測站位于非水力壓裂卸壓段，初始頂錨索受力145 kN，頂錨桿受力95 kN，幫錨桿受力83 kN，隨著工作面回采推進，頂錨索和頂錨桿受力均處于持續增加態勢。

對比分析3107輔助進風巷水力壓裂段和非水力壓裂段錨桿錨索受力情況可見，水力壓裂卸壓對巷道錨桿錨索受力影響并不明顯，這主要是因為錨桿錨索主要在巷道淺部10 m圍巖中布置，而水力壓裂對巷道淺部圍巖不進行預裂，僅對巷道頂板深部圍巖進行預裂與軟化，沒有破壞巷道淺部煤巖體完整性，對巷道錨桿錨索支護體受力影響較小，壓裂和非壓裂段支護體受力差異不大。

4.2.2巷道表面位移變化與分析

在壓裂段共布置8組表面位移測站，分別布置于圖4中1#—8#測站處，其中壓裂區域布置5組，非壓裂區域布置3組，以分析對比水力壓裂區域和非壓裂區域巷道位移量的變化情況，見圖8，9.

圖8 水力壓裂區域巷道表面位移觀測曲線圖

統計分析圖8中不同測點水力壓裂區域巷道變形數據，主要觀測數據如下：1#測站兩幫移近量為190 mm，頂底移近量為753 mm；2#兩幫移近量70 mm，頂底移近量680 mm；3#兩幫移近量160 mm，頂底移近量870 mm；4#兩幫移近量120 mm，頂底移近量892 mm；5#兩幫移近量115 mm，頂底移近量921 mm. 計算得出水力壓裂區域5個測點兩幫平均移近量為131 mm，頂底平均移近量為823.2 mm.

統計分析圖9中不同測點非水力壓裂區域巷道變形數據，主要觀測數據如下：6#測站兩幫移近量為213 mm，頂底移近量為1 246 mm；7#兩幫移近量190 mm，頂底移近量1 325 mm；8#兩幫移近量189 mm，頂底移近量1 483 mm.

圖9 非水力壓裂區域巷道表面位移觀測曲線圖

對比分析3107輔助進風巷水力壓裂段和非水力壓裂段巷道變形破壞情況可知，水力壓裂卸壓對巷道變形影響較為明顯，水力壓裂區域兩幫平均變形量131 mm，非壓裂區域兩幫平均變形197 mm，水力壓裂區域頂底板平均變形量823 mm，非壓裂區域兩幫平均變形1 351 mm，其中主要以底鼓變形為主，說明巷道卸壓效果較理想，水力壓裂卸壓后巷道底鼓變形量和變形速度均明顯降低。

4.3 3107輔助進風巷留巷段變形情況

水力壓裂工程施工后，使頂板懸臂結構產生的高應力得到削弱，留巷段巷道變形得到改善，減少了留巷巷道后期整巷工程量，保證了巷道的安全。對水力壓裂留巷段巷道變形情況進行了現場觀測，觀測數據見表2.

由表2可知，水力壓裂區域420～460 m巷道變形較大，行人已無法通過，460～640 m，巷道高度逐步變高，行人可彎腰行走通過，非壓裂區域670～777 m巷道變形相較于壓裂區域變化大，大部分區域需半蹲行走。由此得知，水力壓裂切頂卸壓起到了一定的效果，改善了巷道變形情況，但水力壓裂初期，由于巷道頂板壓力釋放不完全，變形較大，之后逐步達到預期效果。

表2 不同地段沿空留巷段巷道高度表

5 結 語

1) 新景礦鉆孔深部壓裂壓力大于淺部壓裂壓力，鉆孔深部壓力基本集中在18～20 MPa，鉆孔淺部壓力基本集中在14～16 MPa.

2) 由3107輔助進風巷水力壓裂段和非水力壓裂段巷道變形破壞情況可知，水力壓裂卸壓對巷道變形影響較明顯，水力壓裂區域兩幫平均變形量131 mm，非壓裂區域兩幫平均變形197 mm，水力壓裂區域頂底板平均變形量823 mm，非壓裂區域兩幫平均變形1 351 mm，其中主要以底鼓變形為主，說明巷道卸壓效果較理想，水力壓裂卸壓后巷道底鼓變形量和變形速度均明顯降低。

3) 根據現場實測可知，水力壓裂區域420～460 m巷道變形較大，460～640 m巷道高度逐步變高，非壓裂區域670～777 m巷道變形相較于壓裂區域變化大，水力壓裂切頂卸壓改善了巷道變形情況。