淺埋深工作面端頭懸頂定向水力壓裂卸壓技術應用

蘇 波

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013)

神府礦區煤層多為淺埋深條件，頂板的特點往往為巖石強度高、節理裂隙不發育、厚度大、整體性強、且自承能力強[1]，煤層開采后難以及時垮落，易于形成懸頂，周期來壓步距較大，工作面液壓支架有強烈的高阻力顯現，輕則造成支架安全閥開啟頻繁，重則支架被壓壞，嚴重影響生產組織和人身安全。以往懸頂問題多數采用架間向采空區或工作面巷道向工作面打眼爆破的方式來弱化工作面淺部頂板，從而達到頂板及時垮落目的[2，3]，但用該方式處理工作面頂板存在以下問題：放炮前需要拉警戒線，撤離下風側所有人員，影響正常生產組織；放炮后釋放大量有毒有害氣體且爆破對工作面設備產生較大沖擊，安全隱患較大；炮眼深度較淺一般都小于10m，難以達到對深部頂板應力集中區進行有效卸壓的目的。

定向水力壓裂技術為該條件頂板弱化提供了有效手段。該方法最初運用到油氣井增透方面，后來從波蘭煤炭科學院沖擊地壓與巖石力學研究所引入到我國煤礦行業[4，5]，起初運用到我國煤礦井下低滲透性高瓦斯礦井增透方面，近些年我國諸多科研院校在水力壓裂對頂板的作用機理及效果監測方面做了大量工作[6-11]，并將研究成果廣泛的運用到煤礦井下切眼頂板弱化[12，13]、工作面巷道頂板高應力區卸壓[14-17]和防沖治理[18，19]等方面，研究成果已在神華、中煤、華電、潞安、晉煤、陜煤化等諸多煤企得到廣泛應用，取得良好的安全和和經濟效益。

1 工程概況

1.1 工作面頂板條件

榆林楊伙盤煤礦位于神府礦區東南部新民開采區，地處神府兩縣交界處的神木縣店塔鎮楊伙盤村，采用綜合機械化采煤方法，全部垮落法管理頂板。20104工作面水文地質條件簡單，上覆基巖厚度為75～126m，松散層厚度0～75m。工作面標高為1109.91～1132.08m，地面標高為1154～1256m，工作面傾向長度237.75m，工作面及巷道布置如圖1所示。煤層平均厚度為2.4m，煤層傾角 0°～2°，不含夾矸，厚度穩定，為中厚煤層，煤層頂底板特征見表1。

圖1 工作面及巷道布置

1.2 強礦壓問題分析及解決思路

當工作面推采至距切眼約210m位置時，20#—70#支架所受工作阻力普遍較大，安全閥頻繁開啟，其中，30#—50#支架范圍為受力高峰區域，立柱下沉明顯，工作面推采困難，每日僅推進4～5刀。分析其主要原因如下：

表1 煤層頂底板特征

1)從工作面概況、煤層頂板巖性分析，20104工作面上覆直接頂和老頂巖體強度高，完整性好且厚度較大，屬于不易垮落頂板。

2)20104工作面兩端為采空區的孤島工作面，工作面受采空區側向支承壓力的影響，與工作面超前支承壓力疊加，導致該工作面頂板管理難度加大。

3)因20104工作面煤層距地表僅有120m左右，當架后懸頂面積較大時，易造成工作面到地表的巖層及表土層的整體切落，上覆巖層失穩導致其重量全部施加在工作面支架上，導致工作面支架壓力急劇增加，安全閥開啟，立柱下沉嚴重，從地表沉陷情況可以印證這一點，其屬于典型的強動壓淺埋工作面的特點。

針對上述問題，在考慮不影響工作面正常推采的情況下，擬在工作面巷道內采用定向水力壓裂技術，解決以下兩個問題：①破壞工作面頂板巖層，以縮短周期來壓步距，從而減小周期來壓對工作面支架的影響；②實現高應力的轉移，將高應力轉到遠離直接頂的巖層深部，從而達到卸壓目的，保證支架工況處于合理的受力狀態，使工作面能夠安全推采。

2 定向水力壓裂原理

孔壁定向壓裂是基于彈性理論，以任意方向鉆孔周圍的應力場為出發點，根據最大拉應力準則分析任意方向鉆孔的開裂壓力及開裂方向，得出了裂縫開啟壓力隨鉆孔參數(方位角，傾斜角)和地應力場類型的變化規律，據此設計壓裂鉆孔參數與壓裂作業，如圖2所示。

圖2 鉆孔坐標與主應力分布

鉆孔壁最大拉應力：

開裂條件：

σmax=σt

開裂位置：

式中，θ為x軸沿z軸逆時針轉過的角度，(°)；σt為巖石抗拉強度，MPa；σθz和σz分別為θ=θf處的應力值，MPa；σθ為液體壓力p的函數。

定向水力壓裂施工工藝：通過現場打鉆施工時揭露的不同層位巖性情況結合鉆孔柱狀圖綜合分析，選取合適的層位和壓裂位置，利用高壓水射流對選取段的巖體進行定向切槽，控制合適的層位和給定方向，采用跨式膨脹性封孔器對切槽位置進行封閉，對封閉處的巖體進行高壓水加壓，高壓水沿著預制裂隙尖端處向巖體深處延伸擴展，并與原生裂隙貫通，如圖3所示，其擴展方向及長度與水壓、流量、地應力的大小及方向和巖石的彈性參數及斷裂韌度有關。

圖3 定向水力壓裂示意圖

在同一鉆孔內，選取不同位置至上而下依次進行壓裂，產生不同層位的多條裂紋，在超前支承壓力作用下裂紋貫通，形成裂紋網絡，人為破壞直接頂和下位老頂的完整性，改變工作面上覆巖層的受力環境，將工作面頂板處的高應力向巖體深處或低應力區轉移，從而達到初期頂板卸壓目的，保證支架處于合理的受力狀態，工作面正常推采。

3 定向水力壓裂現場施工

3.1 定向水力壓裂卸壓方案

由于工作面20#—70#支架所受工作阻力較大，且30#—50#支架范圍為受力高峰區域，立柱下沉明顯，工作面推采困難，考慮到現場實際情況，為了保證卸壓效果及施工的連續性，將施工地點選定距20104運輸巷30m處的20104中巷內，在距工作面超前20m位置連續施工200m，考慮到工作面高應力區集中在中上部，故高低位兩種壓裂孔深度分別設計為50m和40m，壓裂范圍為25#—51#架之間頂板，20104工作面水力壓裂卸壓鉆孔布置如圖4所示。通過對現場及周邊環境的調研結合煤巖層厚度、圍巖結構和強度、地應力大小和方向等參數，得出了水力壓裂鉆孔的深度、角度、排距、裂紋起縫壓力、擴展壓力等參數。

圖4 20104工作面水力壓裂卸壓鉆孔布置

3.2 壓裂鉆孔施工

按照設計方案要求，打鉆時高低位鉆孔交替施工，壓裂時先壓低位孔再壓高位孔，當壓裂鉆孔時，鉆孔周邊兩側及頂板部分錨桿(索)孔有水流出，有的出水點距壓裂地點較遠，說明高壓水使巖體內部產生裂隙相互貫通，有較遠的擴散半徑，人為的破壞了頂板的完整性。

為了準確記錄壓裂效果，采用水壓監測記錄儀進行水力壓裂實時監測，每4s采集一次數據，每個位置壓裂時間依據現場情況而定，一般約30min，選取典型曲線(2019年5月27日8：30-23：30)進行說明，水力壓裂實時監測曲線如圖5所示。

圖5 水力壓裂實時監測曲線

高壓水在預制裂縫的尖端達到起縫壓力后，尖端開始出現裂縫，并在擴展壓力的作用下裂紋開始向外延伸、分叉，擴展，從圖5壓力曲線可以讀出裂縫的起縫壓力和擴展壓力。由于壓裂位置是分段移動的，所以壓裂曲線呈現分段狀，水壓值多集中分布在10～12MPa之間，巖體較為均質完整，裂隙不太發育，裂紋呈鋸齒狀向遠方擴展。

從圖5中可以看出，區域A曲線數值突然升高，約5min后回落，說明裂隙在擴散過程中，遇到堅硬結核或者滲透性有變化巖體導致的，在高壓泵的推進下，裂隙要想延伸的更遠，必須需要更大的壓力來克服巖體強度，所以出現曲線突然增高的情況，當通過該變化區域后，水壓又降低至正常水平；在區域B位置壓裂，水壓值起伏較大，可能是由于裂縫擴展過程中遇到了原生裂隙或結構面所致，或是由于局部地應力場發生變化引起的，該位置的巖體強度較高；區域C中三個不同位置的壓裂值基本一致，說明該段巖體相對均質、完整，裂紋可以在相對穩定的壓力下向遠處擴展。

4 卸壓效果分析

4.1 頂板垮落步距分析

卸壓之前20104工作面施工前周期來壓步距約為25m。在壓裂施工結束后，垮落步距約為15m，架后頂板垮落較為及時，支架受力明顯減弱，工作面推進度顯著加快，基本不存在冒頂片幫現象，說明壓裂裂縫擴散范圍已達到切眼及周邊相當大的區域，在工作面頂板已形成卸壓區，改變了上覆巖層的應力環境。

4.2 支架工作阻力分析

20104工作面支架額定工作阻力為7000kN，該工作面安裝有KJ21壓力監測系統，每10架安裝一組壓力監測傳感器，整個工作面共安設14組。為了能夠清楚的表現出壓裂前后工作面支架受力及變化情況，對工作面支架所受工作阻力值進行了區間劃分，以直方圖的形式呈現，如圖6所示。劃分具體方法是：將工作阻力值分為低、中和高三個檔，再分別統計14組壓力傳感器受力在各區間段所占百分比。從圖6可以得出：

圖6 支架工作阻力頻率分布

1)壓裂前工作面中上部高阻力區占比較大，與現場實際情況較吻合，壓裂后該區間的高阻力區占比明顯降低，說明采用水力壓裂技術后改變了工作面頂板的應力環境，高應力區下降至正常區間，避免工作面局部受力過大，使工作面支架受力更加合理，實現了工作面頂板卸壓的目的。

2)壓裂前分布在0～3000kN的支架工作阻力頻率為42.8%，分布在3000～5000kN的支架工作阻力頻率為21.3%，分布在5000～7000kN的支架工作阻力頻率為36%，其中低工作阻力區占比偏高，表明支架未能充分發揮作用，利用率偏低，高工作阻力區占比也偏高，表明支架長期高負荷工作，損壞機率較大，而正常工作阻力區偏低。但在壓裂后的支架工作阻力分布頻率有了明顯變化，支架工作阻力分布直方圖大致成正態分布，工作阻力主要分布在3000～5000kN，呈現出中間高兩邊低的合理形態，說明支架工作狀態比較理想，支架的支護能力能夠滿足工作面支護要求。

5 結 論

1)楊伙盤煤礦20104工作面壓裂施工前周期來壓步距約為25m，壓裂施工后周期來壓步距縮短為15m，架后頂板垮落較為及時，支架壓力明顯減小。

2)水力壓裂施工改變了工作面上覆巖層的應力環境，將高應力區域降至正常水平，整個工作面支架高工作阻力區占比降低，有效發揮了支架對頂板的支撐作用，提高了工作面管理水平。

3)定向水力壓裂技術是一種安全、高效、綠色的控制強動壓淺埋工作面頂板的有效卸壓手段，有著明顯的技術和安全優勢，為處理類似問題提供了借鑒，有廣闊的發展前景。