定向水力壓裂切頂卸壓技術(shù)研究及應(yīng)用

張廣杰， 程志斌， 丁坤朋

（河南理工大學(xué)河南理工產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河南焦作454003）

高瓦斯礦井工作面通常有回采巷道和瓦斯排放巷道，瓦排巷處本工作面專用外，還為下個(gè)工作面服務(wù)；因該巷會(huì)受兩次回采動(dòng)壓的影響，造成巷道破壞變形嚴(yán)重，引起維護(hù)成本增加[1]。當(dāng)前主要是經(jīng)加強(qiáng)支護(hù)來維護(hù)，還采取在頂板預(yù)裂卸壓，使留巷與采空區(qū)頂板失去應(yīng)力聯(lián)系，起到提前釋放壓力的效果[2]。礦井在實(shí)施沿空留巷時(shí)，通常采用爆破預(yù)裂、水力壓裂等技術(shù)[3-5]；而水力壓裂技術(shù)可起到人工強(qiáng)制預(yù)裂的效果，高瓦斯礦井采用該技術(shù)安全性較高，實(shí)施比較方便。因此礦井實(shí)施卸壓時(shí)采用水力壓裂的方式較普遍。

許多專家學(xué)者對(duì)水力壓裂切頂卸壓技術(shù)作了大量研究工作，馮彥軍[6]、李武軍[7]、于斌[8]、吳擁政[9]等基于礦井堅(jiān)硬難垮、特殊條件引起巷道變形大的問題，對(duì)水力壓裂切頂卸壓技術(shù)原理、關(guān)鍵參數(shù)的確定等作了研究，現(xiàn)場應(yīng)用效果較好；葛兆龍[10]、黃飛[11]等分別對(duì)壓裂封孔、水頭壓力對(duì)頂板受力問題作了研究，康紅普等[12]對(duì)近年關(guān)于水力壓裂技術(shù)的研究作了綜述分析。

山西某礦8118 工作面瓦排巷因受堅(jiān)硬頂板的影響出現(xiàn)圍巖收縮、底鼓及片幫等問題，為確保該巷正常使用，擬運(yùn)用水力壓裂的手段對(duì)頂板作卸壓處理，并提出相應(yīng)的壓裂工藝參數(shù)，為類似情況下實(shí)施水力壓裂技術(shù)提供借鑒。

1 工程概況

8118 工作面所采煤層為8號(hào)煤，其煤厚約3 m；直接頂是6.35m厚泥巖，呈黑色且局部區(qū)域是砂質(zhì)泥巖，基本頂是7.31m厚細(xì)粒砂巖，呈灰白色且內(nèi)部夾有煤線。工作面埋深約467 m；礦井相對(duì)、絕對(duì)瓦斯涌出量分別為13.22 m3/t、36.72 m3/min，煤塵是有爆炸傾向性的。工作面走向長2170 m，傾斜長200 m，如圖1 所示。

圖1 工作面布置平面圖

8118 瓦排巷在工作面推進(jìn)結(jié)束后，當(dāng)作相鄰工作面的回采巷道。在本工作面回采期間，該巷發(fā)生嚴(yán)重變形，對(duì)其正常通風(fēng)造成不利影響，安全性降低。為確保瓦排巷完整，擬運(yùn)用定向水力壓裂切頂卸壓技術(shù)對(duì)頂板作卸壓處理，切斷煤層上方堅(jiān)硬巖層。根據(jù)以上問題，研究該技術(shù)具有重要意義。

2 定向水力壓裂切頂卸壓技術(shù)研究

2.1 技術(shù)原理

隨工作面推進(jìn)，采空區(qū)頂板暴露范圍不斷擴(kuò)大，其頂板巖層將出現(xiàn)冒落；但采空區(qū)頂板巖層較完整、厚度較大、堅(jiān)硬時(shí)，冒落會(huì)被擱置一定的時(shí)間，在采空區(qū)上方將形成不穩(wěn)定的殘留邊界；沿空巷道圍巖變形大、長期無法穩(wěn)定主要是堅(jiān)硬厚頂板懸頂時(shí)間長或煤柱上方殘留邊界所引起的。因此需切斷煤柱上方懸頂結(jié)構(gòu)。水力壓裂的實(shí)質(zhì)是將煤巖體內(nèi)部的裂隙受到外部給予高壓水的沖擊力下出現(xiàn)開裂并擴(kuò)展的過程。定向水力壓裂則是在壓裂區(qū)域預(yù)先設(shè)定一定方向的裂縫，使高壓水沿該方向進(jìn)行壓裂，煤巖體內(nèi)裂隙或裂紋擴(kuò)展的方向得以控制，該手段可較好的控制堅(jiān)硬頂板；使堅(jiān)硬頂板的強(qiáng)度得以變?nèi)酰ぷ髅嫱七^后采空區(qū)上覆堅(jiān)硬巖層能及時(shí)、較容易的垮塌[13-14]。

因此，定向水力壓裂切頂卸壓原理是在煤巖層中進(jìn)行施工鉆孔并形成切槽，該處受高壓水的影響下消除或減弱采空區(qū)側(cè)堅(jiān)硬基本頂形成的懸臂結(jié)構(gòu)，將煤柱上方堅(jiān)硬巖層切斷，使懸臂結(jié)構(gòu)及時(shí)垮塌，將會(huì)更好地填實(shí)采空區(qū)，采空區(qū)承擔(dān)的載荷也會(huì)增大，減小煤柱和實(shí)體煤的受力載荷，改變應(yīng)力轉(zhuǎn)移使留巷受力狀態(tài)得以改善，留巷變形得以抑制。

2.2 切頂卸壓力學(xué)分析

切頂卸壓不僅使頂板破碎后碎脹系數(shù)變大，切頂后頂板的碎脹程度要大于自然垮落碎脹程度，采空區(qū)被充填的高度變大，增加覆巖的支承能力，與實(shí)體煤側(cè)一起形成簡支梁的結(jié)構(gòu)，減弱對(duì)留巷的影響；且切頂還能縮短頂板懸臂梁長度，避免應(yīng)力三角區(qū)出現(xiàn)。直接頂垮落后的碎脹系數(shù)1.3～1.5。切頂?shù)年P(guān)鍵是讓巖石易垮落且塊度適中，碎脹系數(shù)增加，合理的切頂高度可讓垮落的矸石填滿采空區(qū)，其覆巖運(yùn)動(dòng)對(duì)留巷受動(dòng)壓作用較小[15]。因此切頂?shù)乃槊浶詫?duì)留巷頂板管理比較重要。

未切頂巷道其圍巖壓力要比切頂后的壓力大，表現(xiàn)在窄煤柱、煤壁側(cè)煤體內(nèi)的垂直應(yīng)力，巷道切頂前后其覆巖結(jié)構(gòu)見圖2。圖2-1 為未切頂巷道覆巖結(jié)構(gòu)，煤柱側(cè)受頂板結(jié)構(gòu)重力FG和懸臂梁結(jié)構(gòu)壓力F壓的雙重作用，F(xiàn)壓是以煤柱為支點(diǎn)出現(xiàn)向上的扭轉(zhuǎn)力，出現(xiàn)對(duì)煤柱造成影響的推力F 推，因此未切頂?shù)南锏缼筒渴茼敯鍓毫Α⑴まD(zhuǎn)力的影響出現(xiàn)水平推力導(dǎo)致變形大、支護(hù)難[16]。圖2-2 為切頂后巷道覆巖結(jié)構(gòu)形成，切頂后的頂板被水力壓裂預(yù)裂，切斷懸臂梁結(jié)構(gòu)，幫部僅受FG影響，因此巷道變形不明顯。

圖2 切頂與未切頂巷道頂板結(jié)構(gòu)

3 工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 鉆孔位置及參數(shù)選擇

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，定向水力壓裂試驗(yàn)在8118工作面超前200m內(nèi)，壓裂鉆孔布置回風(fēng)巷中，在頂板中線垂直頂板、靠近煤柱側(cè)與水平面夾角50°布置鉆孔。采用橫向切槽技術(shù)對(duì)鉆孔實(shí)施切槽，方向與鉆孔是垂直關(guān)系，如圖3 所示，切槽方向則是實(shí)施壓裂預(yù)先設(shè)定的方向。

圖3 壓裂鉆孔布置示意

壓裂試驗(yàn)段長度150 m，布置12 排壓裂鉆孔，間距2.5 m，排距10 m。結(jié)合該礦實(shí)際情況及巷道覆巖結(jié)構(gòu)，確定如下關(guān)鍵參數(shù)：鉆孔直徑56 mm，靠近煤柱側(cè)孔深23 m，頂板中部孔深17 m，孔內(nèi)開槽先從孔內(nèi)最里位置開槽，由內(nèi)向外逐步實(shí)施，垂直孔開5個(gè)槽，傾斜孔開6個(gè)槽，其中首個(gè)槽距離孔底2 m，槽間距離3 m。

3.2 壓裂工藝與過程

研究表明，在實(shí)施水力壓裂試驗(yàn)時(shí)應(yīng)將裂隙擴(kuò)展路徑、液體發(fā)生滲流流失等特殊情況加以考慮[17]。據(jù)礦井實(shí)際狀況和以往工程經(jīng)驗(yàn)，采用高壓注水泵，其壓力需達(dá)到65 MPa，流量達(dá)到85 L/min。施工工藝及過程如下：

1）將封孔器進(jìn)行連接安裝，通過排氣、試驗(yàn)等手段檢查是否完好可用。把手壓泵、高壓膠管、封孔器及儲(chǔ)能器等快速連在一起，其連接處需使用專用密封圈對(duì)其密封，確保封孔器不漏氣，再在高壓膠管和注水鋼管連接處裝上水壓儀，以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水壓讀數(shù)，并進(jìn)行記錄。

2）待壓裂設(shè)備連接調(diào)試等準(zhǔn)備工作結(jié)束后，利用注水鋼管把封孔器放入鉆孔預(yù)設(shè)處，注水壓裂先從鉆孔最深部的切槽處開始，逐次向外進(jìn)行。將封孔器送入預(yù)定位置后，通過手壓泵加壓使封孔器開始膨脹，壓力表為15 MPa 時(shí)停止加壓，讀數(shù)若不再變形說明封孔成功，反之則要進(jìn)行檢查處理直至封孔器達(dá)標(biāo)為止。

3）打開水壓儀，查看是否能正常運(yùn)行，對(duì)高壓水泵依次注水、通電，加壓需緩慢進(jìn)行，此時(shí)將高壓水泵、手壓泵的壓力表及流量計(jì)的讀數(shù)進(jìn)行記錄。通過高壓水泵一直增加其壓力，待壓力突然出現(xiàn)減小時(shí)，則認(rèn)為鉆孔內(nèi)裂隙發(fā)生開裂，此時(shí)增加高壓水的注入量確保壓力，使其裂隙繼續(xù)擴(kuò)展，注水時(shí)間根據(jù)現(xiàn)場狀況確定。若巷道發(fā)現(xiàn)有水滲出時(shí)，則停止壓裂試驗(yàn)。

4）依次對(duì)巷道頂板垂直方向、靠近煤柱側(cè)傾斜方向的鉆孔進(jìn)行壓裂，完成后對(duì)高壓水泵設(shè)備依次進(jìn)行斷電、停水，逐漸減小封孔器壓力，并將其從鉆孔內(nèi)取出來，壓裂試驗(yàn)完成。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 水力壓裂效果分析

采用鉆孔窺視儀檢驗(yàn)鉆孔橫向切槽效果見圖4，從圖中可知，切槽形狀呈矩形且效果良好；向鉆孔內(nèi)注入高壓水時(shí)，切槽內(nèi)將會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力集中的現(xiàn)象，裂縫先從切槽內(nèi)發(fā)梢開裂，并沿此方向向遠(yuǎn)處進(jìn)一步的擴(kuò)展；并且在頂板巖層堅(jiān)硬區(qū)域內(nèi)依次進(jìn)行開槽，可以達(dá)到分段逐次壓裂的目的。

圖4 鉆孔橫向切槽

4.2 切頂卸壓效果分析

為了驗(yàn)證水力壓裂切頂卸壓效果，分別在壓裂區(qū)域和非壓裂區(qū)域進(jìn)行巷道表面位移觀測(cè)。觀測(cè)分析可知，非壓裂段兩幫變形量最大253 mm，頂?shù)装遄冃瘟孔畲?16 mm；而壓裂段兩幫變形量最大142 mm，頂?shù)装遄冃瘟孔畲?85 mm；非壓裂段的兩幫和頂?shù)装逡平科毡槌^壓裂段；相比于非壓裂段巷道變形情況，壓裂段兩幫位移量大約降低了45.5%，壓裂段頂板位移量大約降低了42.3%；水力壓裂對(duì)沿空巷道頂板和兩幫的位移控制有明顯作用。說明采用水力壓裂的方式將回風(fēng)巷與護(hù)巷煤柱上覆關(guān)鍵巖層之間的應(yīng)力聯(lián)系切斷，減弱瓦排巷受工作面回采動(dòng)壓的影響，達(dá)到卸壓護(hù)巷的作用。

5 結(jié)論

1）理論分析了定向水力壓裂切頂卸壓技術(shù)原理、力學(xué)環(huán)境，結(jié)果表明，沿空巷道圍巖失穩(wěn)的主要因素是巷道頂板存在的懸臂結(jié)構(gòu)，即采空區(qū)側(cè)基本頂回轉(zhuǎn)、斷裂、垮落對(duì)煤柱側(cè)的影響；有效切斷基本頂是該技術(shù)的關(guān)鍵，并提出其技術(shù)工藝流程。

2）通過對(duì)壓裂與未壓裂區(qū)域內(nèi)留巷巷道圍巖監(jiān)測(cè)得到，巷道未壓裂區(qū)域巷道兩幫移近量，頂?shù)装逡平浚幌锏缹?shí)施定向水力壓裂切頂卸壓技術(shù)后，兩幫移近量142 mm，降低30.5%，頂?shù)装逡平?85 mm，降低50.2%；水力壓裂卸壓效果起到作用。

3）試驗(yàn)結(jié)果表明，采用定向水力壓裂切頂卸壓技術(shù)能夠消除或減弱堅(jiān)硬頂板懸臂結(jié)構(gòu)，達(dá)到留巷的目的。