水力壓裂技術在二次動壓巷道卸壓中的應用

翁海龍

(神東煤炭集團保德煤礦，山西 忻州 036600)

0 引言

神東煤炭集團保德煤礦位處東關、橋頭鎮，國家能源投資集團有限責任公司獨資經營，屬中央企業，井田面積為 55.9 km2，保有儲量9.4億t，屬氣煤、弱粘煤，高瓦斯礦井，地質為單斜構造，水文地質中等，易自燃煤層。建有配套選煤廠、神朔鐵路運煤專線，韓府公路穿境而過，被評為現代化礦井、安全生產一級標準化礦井。煤礦二次動壓影響巷道，與回采工作面相鄰布置。為最大限度回采煤炭資源，煤柱經驗實現較小化留設，伴隨巷道圍巖的強度也較小，穩定性較差。受相鄰工作面側向支承壓力，二次動壓影響巷道的變形具有變形速度快、變形量大、變形形式復雜、變形無法穩定等特點[1-3]，特別是在81307工作面二次動壓超前支護段，巷道斷面往往無法滿足行人、通車及通風等要求，大部分煤礦的二次動壓巷道均存在不同程度的動壓現象。

1 回采工作面基本情況

1.1 頂板巖性

81307綜放工作面位于三(上)盤區，北臨盤區主輔運大巷，南臨井田邊界，東臨81306綜放面采空區，西臨接續81308綜放面。煤層及頂板裂隙較發育，在煤層起伏變化處發育強烈，造成頂板破碎冒落，且部分段發育有古河流沖刷帶，老頂為粗粒砂巖、鈣質膠結，膠結程度差，抗壓強度低，具體見表1。

表1 頂板巖性特征Table 1 Lithologic characteristics of roof

1.2 支護情況

81308一號回風順槽斷面凈寬5 000 mm，凈高3 650 mm。頂板支護采用“左旋無縱筋螺紋鋼錨桿+鋼筋骨架網+錨索”聯合支護，頂錨桿間排距為1 250 mm×1 000 mm，每米4套，錨索間排距為2 400 mm×2 000 mm，2 m一排，每排2套。正幫支護采用“玻璃鋼錨桿+木托板+高強度塑料網”，每米支護3套φ20 mm×2 100 mm玻璃鋼錨桿，后沿順槽方向補強2排圓鋼幫錨桿，規格為φ18 mm×2 100 mm，錨索間排距為2 000 mm×1 000 mm。副幫支護采用“鋼筋錨桿+木托板+鉛絲網”對有采空區側的副幫，進行二次補強支護，采用沿順槽方向補強3排幫錨索，“十字搭接”并壓Ω型鋼帶，錨索規格為φ21.6 mm×5 000 mm，如圖1所示。

圖1 81308一號回風順槽副幫補強支護示意Fig.1 Schematic diagram of 81308 roadway reinforcement support

2 水力壓裂技術在動壓巷道卸壓的應用

2.1 動壓巷道存在的安全隱患

隨著第2個工作面的開采，巷道受第1個工作面和第2個工作面(本巷道所圈回采面)支承壓力疊加影響，巷道變形劇烈，僅依靠支護難以維護和確保安全使用。81307綜放面回采過程中，導致81308一號回風順槽在水平應力與垂直應力相差較大的構造應力區，高支承壓力集中區等附近，巷道圍巖雙向應力的比值隨著采動影響而發生改變，導致本面服務巷道以及相鄰備用工作面巷道易產生巷道嚴重變形甚至大冒頂，修復難度大、成本高，對巷道安全使用極為不利[4-6]。

2.2 動壓巷道變形分析

二次動壓巷道81308一號回風順槽25～32聯巷，在受相鄰81307綜放面回采過程中變形嚴重，巷道動壓顯現劇烈。主要表現為動壓顯現明顯，頂板掉渣；巷道底鼓嚴重，底鼓量約為0.5～1.0 m，造成人員通行困難，嚴重影響正常使用；副幫幫鼓約為0.6 m，多根幫錨索崩落，正幫幫鼓約為1.3 m，玻璃鋼錨桿崩落嚴重。兩幫局部段片幫嚴重、網片破損。動壓巷道81308一號回風順槽礦壓顯現強烈的根本原因是巷道圍巖賦存較高的應力，主要是因為相鄰81307工作面回采后，采空區上方巖層重量向周圍支承區轉移，在該工作面采空區四周形成支承壓力帶。受支承壓力影響，二次采動81308一二號回風順槽圍巖應力隨工作面推進位置超前段巷道壓力也逐漸增高，如圖2所示。

1-超前支承壓力；2、3-側向支承壓力；4-工作面后方殘余支承壓力圖2 采空區周圍應力重分布Fig.2 Stress distribution around goaf

2.3 動壓巷道卸壓實施方案

2.3.1 動壓巷道卸壓鉆孔布置

鉆孔布置：81307工作面膠運順槽(對應81308一號回風順槽13～14聯巷段)水力壓裂卸壓鉆孔布置及參數如圖3所示。壓裂過程中，根據鉆孔壓裂情況調整壓裂參數(鉆孔間距、壓裂次數、壓裂時間、鉆孔角度等)要求，采用后退式方向實施。

圖3 水力壓裂鉆孔布置示意Fig.3 Layout of hydraulic fracturing boreholes

鉆孔數量(進尺、參數)及施工順序：①鉆孔進尺總計1 200 m。一種為A孔，孔與孔間隔10 m，巷道單側施工，另一種為A+B孔，孔與孔間隔15 m，巷道兩側布置；②先壓裂鉆孔正幫A鉆孔，鉆孔長度50 m，傾角50°；后壓裂鉆孔副幫B鉆孔，鉆孔長度50 m，傾角50°。鉆孔施工采用ZDY1200S鉆機及配套鉆機平臺，鉆頭直徑56 mm，鉆桿直徑42 mm。

2.3.2 壓裂施工

81307膠運順槽(對應81308一號回風順槽13～14聯巷段)水力壓裂順槽卸壓如圖4(a)、(b)、(c)所示。采用橫向切槽的特殊鉆頭，預制橫向切槽，如圖4(a)所示，保德煤礦頂板巖層不屬于堅硬巖石，無需實施開槽作業。利用手動泵為封隔器加壓使膠筒膨脹，達到封孔目的，封孔壓力12～16 MPa。試壓時加壓到2～5 MPa檢查密封情況，如圖4(b)所示。連接高壓泵實施壓裂，如圖4(c)所示。

圖4 水力壓裂施工示意Fig.4 Hydraulic fracturing construction technology

3 施工效果分析

3.1 卸壓原理

通過在相鄰工作面的81307膠運順槽(對應81308一號回風順槽13～14聯巷段)實施煤巖體水力壓裂弱化技術，減小回采81307綜放面側向(81308工作面方向側)懸臂梁的長度、厚度。削弱、轉移81307膠運順槽與81308一號回風順槽之間煤柱上覆的高應力，使81308一號回風順槽一次采動影響降低，處于低應力區域，從根本上改變巷道圍巖的應力狀態，降低維護難度[7-9]。

3.2 監測方法

可采用物探的監測方法，比如瞬變電磁、地質雷達等方法，但是相對成本較高。采用簡單觀測方法，比如在壓裂孔周圍布置觀測孔，壓裂過程中如果觀測孔有水冒出，可大致確定壓裂影響的范圍[10-12]。或者通過窺視儀觀測壓裂后裂紋產生情況。可進行全面、系統的礦壓監測，包括頂板位移與離層、巷道圍巖位移、支護體受力，通過處理與分析礦壓監測數據，評價水力壓裂控制頂板的效果。

3.3 壓裂現場觀察

3.3.1 壓裂初期

鉆孔開始壓裂期間，高壓水壓力急劇增高到一定值后，隨著孔壁巖石的開裂或原生裂隙的進一步張開，壓力在某一范圍內小幅波動或突然有不同程度的下降，繼而進入保壓階段，裂縫隨著時間不斷的擴展。有些壓裂在裂縫擴展過程中，壓力存在小幅度的波動，裂縫基本以恒定壓力向前擴展，說明頂板巖層原生裂隙不發育，巖層較為穩定，裂縫可以實現大范圍擴展；有些壓裂在裂縫擴展過程中，壓力穩定上升或下降，可能是由于巖層的不均勻性或巖層的滲透率不同導致的；還有一些壓裂在裂縫擴展過程中，壓力波動較為劇烈，可能是由于裂縫擴展過程中遇到了原聲裂隙或結構面導致的。

3.3.2 壓裂過程

水壓分布區間為10～22 MPa，當現場頂板鉆孔在壓裂過程中，當水壓升至10 MPa左右時，鉆孔附近錨索開始淋水，擴散半徑約為15～20 m，從孔底到孔口壓裂過程中。壓裂在30 min左右時，均有淋水，說明頂板巖體強度不大，且存在大量的原生裂隙或采動裂隙，當在水的壓力下，大量裂隙擴展、貫通，形成弱化帶。水壓的大小取決于原巖應力的大小和方向、巖體的滲透性、壓裂位置、原生裂隙的發育情況等。鉆孔深部受采動影響較小，圍巖應力(地應力)未釋放，圍巖整體性較好，導致出現較高的水壓。反之，在距離鉆孔孔口位置，水壓較小。

3.3.3 壓裂效果

從81308一號回風順槽13～15聯巷處布置固定的圍巖變形測試點對比，測點間距為20 m，1#～11#共11個測點，測點為巷道寬度和巷道高度。當工作面推采過該施工壓裂位置末端13聯巷300 m后，從記錄觀測數據分析來看，壓裂后巷道底鼓及變形量得到了有效控制，且現場巷道變形較小，基本不需要進行巷道修復，簡單維護即可確保行車暢通、正常使用。

4 結語

通過對81307工作面膠運順槽(對應81308一號回風順槽13～14聯巷段)周圍巖體實施單孔多次壓裂技術工藝，可在頂板中產生多條裂縫并使大量裂隙貫通。隨著水力裂縫的大范圍擴展，通過裂縫擴展吸能，可大幅減小頂板巖層賦存的高應力，從而釋放巖層中儲存的彈性能，可以削弱頂板巖層的強度，破壞頂板巖層的整體性，使采空區頂板能夠分層分次及時垮落，消除了隅角懸頂，達到弱化頂板巖層、減小基本頂懸頂長度。避免能量突然釋放引起圍巖劇烈變形，壓裂范圍內頂板的巖爆聲大幅降低，有效緩解81308一號回風順槽劇烈變形，降低巷道修復工程量，確保二次動壓巷道安全使用。實踐證明，81307膠帶順槽(對應81308一號回風順槽13～14聯巷段)水力壓裂預卸壓技術有效解決了81308一號回風順槽二次動壓巷道在相鄰81307工作面采動后的留巷難題，同時節約了巷道維護工程量，確保二次動壓巷道81308一號回風順槽回采安全，取得了較好的經濟效益和安全成果，為安全回采提供了新技術，具有借鑒、推廣的價值。