煤礦水力壓裂切頂卸壓技術研究

張軍磊，任 偉，何志遠，楊旭東

(中煤科工山西華泰礦業(yè)管理有限公司 河曲分公司，山西 忻州 036504)

在工作面附近，受采動的影響，形成了應力增高區(qū)，應力增高區(qū)由應力升高、應力強烈和應力減弱3部分組成。該區(qū)域護巷煤柱載荷急劇增長，相鄰采區(qū)巷道的變形開始變大，巷道片幫、底鼓現(xiàn)象突出。為了解決該問題，國內(nèi)學者對此進行了一定研究，文獻[1]通過工業(yè)性試驗、理論分析、現(xiàn)場調(diào)研、圍巖地質(zhì)力學參數(shù)測試等方法，提出了巷道水力壓裂切頂卸壓控頂成套技術，對壓裂工藝、壓裂裝備、壓裂參數(shù)、鉆孔布置等參數(shù)進行了設計；文獻[2]分析了水壓破裂規(guī)律及地層應力的分布特點，計算了裂紋在平面應力狀態(tài)下的位移場，提出了煤礦地面壓裂井下抽采的壓裂工藝系統(tǒng)，取到了較好的壓裂增透效果；文獻[3]對類混凝土材料的水力裂縫寬度進行多點同步動態(tài)監(jiān)測，獲取了不同時刻多點水力裂縫寬度的變化，研究對提升壓裂工藝技術具有重要參考價值；文獻[4]在對煤層物理特性、煤層賦存特征的基礎上，開展了水力壓裂技術措施，解決了鉆孔利用周期短、流量衰減速度快的難題有效地降低了施工區(qū)域的突出危險性。鑒于此，本文研究了水力壓裂切頂卸壓技術，改善留巷的應力狀態(tài)，降低巷道維護難度。

1 工程概況

山西華鹿陽坡泉煤礦有限公司位于河曲縣東南鹿固鄉(xiāng)陽坡泉村附近，礦井井田面積為11.530 4 km2，生產(chǎn)能力為120萬t/a，現(xiàn)開采10號煤層，瓦斯等級為低瓦斯礦井，礦井地質(zhì)類型和水文地質(zhì)類型劃分均為中等，煤層自燃傾向性為Ⅱ級自燃煤層，煤塵具有爆炸性，礦井現(xiàn)為“兩證一照”齊全有效的生產(chǎn)礦井。研究工作面北部為10106回采工作面(正在回采)、南部為礦井邊界(上榆泉煤礦)、西部為實體煤，東部為3條系統(tǒng)巷(南翼主運巷、南翼輔運巷及南翼回風巷)。根據(jù)10108工作面運輸巷道和回風巷道在掘進過程中實際揭露煤層地質(zhì)資料分析：①10108工作面開采的10號煤層，以半亮煤為主，半暗煤次之；整個工作面煤層厚度為3.5～6.8 m，平均5.35 m；②煤層中一般含1～4層夾矸，平均3層，夾矸厚度0.1～0.5 m，其巖性多發(fā)育有灰黑色碳質(zhì)泥巖。煤層頂、底板情況見表1。

表1 煤層頂、底板情況

工作面整體構(gòu)造形態(tài)為一傾向北西的單斜構(gòu)造，根據(jù)10108工作面兩巷道及切眼實際揭露地質(zhì)構(gòu)造分析：本工作面共計揭露斷層2條，其性質(zhì)均為正斷層。其中10108運輸巷道F6斷層位于回撤通道外24 m處，不在回采范圍內(nèi)。10108回風巷道417 m處揭露的F21正斷層，落差2.5 m；其中2條斷層對回采影響較小，具體斷層產(chǎn)狀及其實際揭露位置見表2。

表2 斷層產(chǎn)狀及其實際揭露位置

據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)資料，從以下幾個方面分析該工作面水文地質(zhì)情況[5-8]：①地表水。地表無河流和水體出露；地表覆蓋黃土層，小型沖溝發(fā)育，多為雨季泄洪溝；其次，地表裂縫也會成為導水通道，在雨季期間會對工作面進行間接補給，但本地區(qū)降雨量較小，因此，對回采影響不大。在出現(xiàn)暴雨等極端天氣時，應按要求嚴格執(zhí)行井下撤人制度。②裂隙水。頂?shù)装迳皫r含水層富水性較弱，頂?shù)装迳皫r裂隙水主要以頂板淋水和底板、煤幫滲水的形式出現(xiàn)，在構(gòu)造帶和裂隙發(fā)育地段涌水量會相對增加，但對生產(chǎn)影響不大，但必須要做好防排水工作。其次，地表降雨會通過采動裂隙對工作面進行間接補給，回采過程中要加強涌水量觀測，掌握涌水量變化情況，如發(fā)現(xiàn)異常要及時采取安全措施。③奧灰水。奧灰水：根據(jù)《10、11、13號煤層奧灰水帶壓開采評價報告》，奧灰水靜水位標高825～865 m；新施工的2020補5水文孔資料顯示奧灰水靜止水位標高為841 m；工作面內(nèi)實測10號煤層底板標高為871.8～913.8 m。由上述數(shù)據(jù)對比并結(jié)合奧灰水突水系數(shù)計算公式分析，工作面煤層底板標高高于奧灰水靜水位標高841 m；一般不會受到奧灰水的威脅，但必須加強觀測，嚴防斷裂構(gòu)造導通奧灰水。④斷層水：根據(jù)10108工作面兩巷道實際揭露地質(zhì)構(gòu)造資料，均未出現(xiàn)斷裂構(gòu)造導水現(xiàn)象，但不排除在回采過程中工作面內(nèi)可能揭露其他斷裂構(gòu)造而導水，因此在回采過程中，必須要加強對工作面內(nèi)涌水量觀測及預測預報，確保安全回采。⑤老空水：10108工作面開采范圍周邊不存在老空水。⑥鉆孔水：10108工作面開采范圍內(nèi)不存在地質(zhì)鉆孔。⑦物探異常區(qū)：2021年1月6日和1月12日在井下10108運輸巷道和回風巷道對10108回采工作面進行了瞬變電磁探測，探測結(jié)果顯示10108工作面內(nèi)有YC-1、YC-2和YC-3三處低阻異常區(qū)，其中YC-1異常區(qū)位于10108回采工作面煤層頂板上15 m，距運輸巷道停采線19.8 m，運輸巷道采幫側(cè)31～40 m；YC-2異常區(qū)位于10108回采工作面煤層內(nèi)，距運輸巷道停采線80 m，回風巷道采幫側(cè)0～40 m；YC-3異常區(qū)位于10108回采工作面煤層內(nèi)，距運輸巷道停采線335 m，回風巷道采幫側(cè)0～40 m。工作面回采前需對3處物探異常區(qū)進行鉆探驗證，根據(jù)驗證結(jié)果采取相應措施。綜合分析，本工作面在回采過程中主要涌水來源為10號煤層頂板砂巖裂隙水，常以淋水和滲水的形式出現(xiàn)。

因此，本工作面回采過程中應注意事項如下：①要及時觀測涌水量變化，如發(fā)現(xiàn)異常情況，必須立即采取安全技術措施；②工作面在回采過程中要加強帶壓區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的探查，查清其構(gòu)造導水性；③在構(gòu)造發(fā)育區(qū)域涌水量可能會增大，要加強觀測，如發(fā)現(xiàn)涌水異常增大，必須立即報告礦調(diào)度室和礦領導，待徹底消除安全隱患后，方可繼續(xù)開采。

2 卸壓原理

水力壓裂切頂卸壓前后的應力分布如圖1所示。

圖1 水力壓裂切頂卸壓前后的應力分布

卸壓前后工作面回采圍巖垂直應力分布如圖2所示，在10108工作面回采后，未進行水力切頂卸壓時，巷道圍巖產(chǎn)生應力集中，其中煤柱和圍巖的水平應力集中非常明顯，靠近10108工作面一側(cè)應力集中程度高，應力分布以某一位置為中心向周圍連續(xù)傳遞，采用水力切頂卸壓技術后，由工作面回采后，未卸壓端圍巖應力主要集中在回采巷道周圍附近，分布范圍相對較廣，應力集中程度高；卸壓端，由于頂板垮落相對較充分，減少了懸臂梁的影響，進而減少回采應力集中影響范圍，并且對應力的進行了有效轉(zhuǎn)移，主要集中在水力切頂卸壓面的深部端頭處，可見，水力切頂卸壓可有效地降低工作面回采造成的殘余和超前支承應力的影響范圍，能將應力轉(zhuǎn)移到深處，調(diào)動圍巖深部的承載能力，改善留巷的受力環(huán)境[9-16]。

3 壓裂參數(shù)設計

3.1 參數(shù)選取依據(jù)

根據(jù)下列公式計算進入裂隙帶的基本頂巖層。

(1)

式中，Hi為由下而上第i層基本頂巖層(基礎巖層)的厚度；Hi′為由下而上第i層基本頂分層的厚度；M為煤層采高；Ki為基本頂及其附加巖層的巖石碎脹系數(shù)；Kz為基本頂及其附加巖層的巖石碎脹系數(shù)；h為直接頂厚度。

將10108工作面相關數(shù)據(jù)代入上述公式，可得出第4層基本頂巖梁，即1.3 m炭質(zhì)泥巖以上巖層為裂隙帶巖層，其下巖層為冒落帶巖層。因此，壓裂鉆孔垂深應達到第4層基本頂巖梁以上，為保證壓裂效果，壓裂位置應盡可能更深。

3.2 方案設計

水力壓裂鉆孔布置如圖3所示。壓裂鉆孔布置圖4所示。

圖4 水力壓裂深孔布置

4 施工工藝

4.1 鉆孔注水壓裂

壓裂過程需要2套水路管線：封孔和高壓水力壓裂。

4.2 封孔

(1)封孔系統(tǒng)的安裝與連接如5所示。封孔系統(tǒng)的安裝與連接工藝流程及注意事項：①連接之前，確認管路是否暢通；②連接安裝封孔器后，接靜壓水對封孔器進行排氣、試壓，查看封孔器是否漏水，回水是否通暢，保證運作正常；③“三通”必須連接截止閥；④開始打壓手動泵之前，同時打開“三通”上的2個截止閥，讓靜壓水進入儲能器，靜壓水進滿依據(jù)或標志為：時間4～5 min，關閉靜壓水截止閥時，手動泵壓力表指針不上下擺動，靜止在某刻度處，約為靜壓水壓力值。靜壓水上滿后關閉靜壓水的截止閥；⑤打壓手動泵至10 MPa；⑥手動泵打壓完畢后，切記關閉2個截止閥，防止封孔器中的水倒流。

圖5 封孔系統(tǒng)連接示意

(2)高壓注水系統(tǒng)的安裝與連接如圖6所示。

圖6 高壓注水系統(tǒng)連接示意

5 結(jié)語

(1)采用水力切頂卸壓技術后，由工作面回采后，未卸壓端圍巖應力主要集中在回采巷道周圍附近，分布范圍相對較廣，應力集中程度高；卸壓端，由于頂板垮落相對較充分，減少了懸臂梁的影響，進而減少回采應力集中影響范圍，并且對應力的進行了有效轉(zhuǎn)移，主要集中在水力切頂卸壓面的深部端頭處，可見，水力切頂卸壓可有效地降低工作面回采造成的殘余和超前支承應力的影響范圍，能將應力轉(zhuǎn)移到深處，調(diào)動圍巖深部的承載能力，改善留巷的受力環(huán)。

(2)通過研究了試驗機具與設備，設計了壓裂參數(shù)及水力壓裂切頂技術施工工藝，并分析了水力壓裂切頂技的安全技術措施。研究為巷道切頂卸壓提供了技術支持。