千米瓦斯礦井小煤柱巷道滯后解危技術(shù)

劉毅濤，王健達(dá)，蘇振國，李少剛，莫云龍，畢慧杰

（1.鄂爾多斯市伊化礦業(yè)資源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017318；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室（煤炭科學(xué)研究總院），北京 100013）

小煤柱護(hù)巷是當(dāng)下發(fā)展的趨勢，隨著礦井埋深增加，采空區(qū)側(cè)向懸頂對小煤柱巷道的影響程度增加[1-3]。對于千米礦井，本身自重應(yīng)力較大，此外，采空區(qū)側(cè)向懸頂總厚度增加明顯，各層位懸臂在向下部傳播后均對井下產(chǎn)生一定的應(yīng)力作用，疊加影響下，千米礦井應(yīng)力水平遠(yuǎn)高于中等埋深礦井[4-6]，單純依靠支護(hù)不能保證煤柱穩(wěn)定性，從應(yīng)力轉(zhuǎn)移角度，小煤柱巷道需要進(jìn)行切頂處理。

目前小煤柱巷道切頂卸壓普遍提前預(yù)處理方式[7-9]，但是，部分礦井由于施工條件限制，需要在懸臂形成后進(jìn)行滯后解危。滯后處理頂板方面，多數(shù)礦井采取爆破手段進(jìn)行卸壓[10-12]，但對于高瓦斯礦井，從安全防控角度，爆破安全性差，需要探究新的方法實現(xiàn)滯后解危。

水力壓裂技術(shù)是將高壓水注入厚硬巖層，在目標(biāo)巖層中產(chǎn)生新裂隙或使原生裂隙持續(xù)擴(kuò)展，從而達(dá)到弱化頂板的目的，與爆破相比安全性高。水力壓裂技術(shù)廣泛應(yīng)用于高應(yīng)力巷道圍巖卸壓方向，通過水預(yù)裂技術(shù)提前處理工作面頂板，改善沿空巷道地應(yīng)力顯現(xiàn)程度，弱化沿空巷道變形，從而降低礦壓沖擊風(fēng)險[13-16]。

為此，以某千米瓦斯礦井1208工作面小煤柱巷道為背景，研究了雙端封堵水力壓裂技術(shù)滯后解危的適用性，并對施工效果進(jìn)行了分析。

1 工作面概況

1208工作面為12#煤的1個臨空工作面，東距1206工作面采空區(qū)約10 m，西為未采動區(qū)。工作面走向長1 430 m，傾向長200 m，平均埋深1 060 m，傾角3°～10°，煤層平均厚度3.6 m，夾矸0.9 m，工作面采高為4.5 m。

1208工作面覆巖存在2個關(guān)鍵層，分別為7.3 m中砂巖和5.8 m粉砂巖。1206工作面回采結(jié)束后，側(cè)向頂板未及時垮落，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，在高自重應(yīng)力、側(cè)向高支撐壓力影響下，1208工作面回采期間礦壓顯現(xiàn)劇烈。

1206工作面回采過程中未采取卸壓措施，同時該礦為瓦斯礦井，考慮采空區(qū)瓦斯積聚問題，爆破安全性差，從安全防控角度只能采用水力壓裂技術(shù)。小煤柱巷道側(cè)向頂板位于采空區(qū)上方，離層較大，單封堵水力壓裂技術(shù)很難實現(xiàn)保壓，因此采用雙端封堵壓裂工藝。

2 雙端封堵水力壓裂切頂卸壓工藝

2.1 切頂卸壓原理

切頂卸壓原理圖如圖1。

圖1 切頂卸壓原理圖Fig.1 Schematic diagram of top cutting and pressure relief

1208工作面回風(fēng)巷道受1206工作面?zhèn)认驊冶劢Y(jié)構(gòu)影響，存在以下弊端：①側(cè)向懸臂結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，突然斷裂下小煤柱結(jié)構(gòu)存在沖擊風(fēng)險；②在高自重應(yīng)力和側(cè)向懸臂結(jié)構(gòu)影響下，小煤柱巷道處于高應(yīng)力環(huán)境中，巷道變形量大，若疊加采動影響，巷道維護(hù)更為困難。對側(cè)向懸頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行切頂處理，可以促使懸頂結(jié)構(gòu)盡快觸矸，釋放側(cè)向壓力，同時也對高位覆巖運動進(jìn)行了控制。

2.2 雙端封堵水力壓裂工藝

雙端封堵水力壓裂系統(tǒng)組成如圖2。

圖2 雙端封堵水力壓裂系統(tǒng)組成圖Fig.2 Composition diagram of double end plugging hydraulic fracturing system

雙端封堵水力壓裂工藝包括打鉆、封孔、壓裂3道主要工序，其中，封孔和壓裂是2道獨立的系統(tǒng)。封孔系統(tǒng)主要由手搖泵、蓄存油和水的儲能器、封孔膠管、雙端封孔器上下2個膠囊組成；壓裂系統(tǒng)主要由高壓水泵、高壓膠管、注水鉆桿、雙端封孔器壓裂單元、電子壓力分站組成。

1）封孔系統(tǒng)。封孔前，先連接井下水管，低壓水通過低壓膠管進(jìn)入封孔膠囊、封孔膠管和儲能器，并充滿整個空間，關(guān)閉球閥形成密閉空間。再用手動泵通過儲能器給封孔膠囊和封孔膠管加壓，密封巖孔壓裂段，不使壓裂段高壓水外泄，封孔壓力約為18～20 MPa。

2）壓裂系統(tǒng)。壓裂前，利用注水鉆桿將雙端封孔器送至預(yù)定壓裂位置，并連接高壓管路。調(diào)節(jié)高壓水泵給壓裂段加壓，注水壓力35～40 MPa，壓裂時間不小于30 min。采用電子壓力分站實時監(jiān)控壓裂過程，記錄壓力變化曲線。

2.3 雙端封堵滯后解危保壓試驗

1208工作面小煤柱巷道側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 小煤柱巷道側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)Fig.3 Lateral roof structure of small pillar roadway

雙端封堵水力壓裂技術(shù)滯后解危井下試驗中，以9#鉆孔壓裂為例，壓力-流量-時間曲線如圖4。注水壓力40 MPa，壓裂30 min，注水量4.93 m3。壓力曲線在5 min和25 min分別出現(xiàn)壓力降，壓裂過程中頂板響動3聲，表明裂隙在高壓水作用下不斷擴(kuò)展。基于以上分析，雙端封堵水力壓裂技術(shù)密封性較好，雖然滯后解危，但能夠?qū)崿F(xiàn)有效保壓。

圖4 9號孔第2次壓裂壓力-流量-時間曲線Fig.4 Pressure flow time curves of the second fracturing in 9#well

3 小煤柱巷道卸壓效果

3.1 窺視孔和應(yīng)力計孔布置方案

小煤柱巷道內(nèi)布置2組應(yīng)力計，其中1#和2#應(yīng)力計分別位于卸壓區(qū)域以里和以外，且深度均為6 m。1#應(yīng)力計孔距停采線180 m，2#應(yīng)力計孔距停采線420 m；11#鉆孔和14#鉆孔作為窺視孔，其中11#鉆孔距離停采線185 m，14#鉆孔距離停采線230 m，窺視孔和應(yīng)力計孔布置位置如圖5。

圖5 窺視孔和應(yīng)力計孔布置位置圖Fig.5 Layout of peephole and stress gauge hole

3.2 鉆孔窺視

1）14#鉆孔壓裂。壓裂位置孔壁較光滑，裂隙發(fā)育不明顯，以堅硬砂巖為主。壓裂完成后，壓裂位置形成1條徑向裂隙，14#鉆孔壓裂前后窺視影像圖如圖6。通過壓裂鉆孔施工，頂板完整性得到有效破壞，致裂效果較好。

圖6 14#鉆孔壓裂前后窺視影像圖Fig.6 Peep images of 14#borehole before and after fracturing

2）11#孔壓裂。壓裂位置局部有裂隙存在，以徑向裂隙為主，壓裂完成后，壓裂位置形成1個明顯徑向大裂隙，11#鉆孔壓裂前后窺視影像圖如圖7。

圖7 11#鉆孔壓裂前后窺視影像圖Fig 7 Peep images of 11#borehole before and after fracturing

3.3 應(yīng)力監(jiān)測

為避免側(cè)向應(yīng)力和采動應(yīng)力疊加，應(yīng)力計要位于采動影響區(qū)外，在此基礎(chǔ)上分析切頂效果。2019年9月4日至5日，1#應(yīng)力計附近壓裂孔施工結(jié)束，此時工作面距離1#應(yīng)力計約560 m，距離2#應(yīng)力計約320 m，9月1日至13日，工作面回采約20 m，1208工作面采動影響范圍約180 m，1#和2#應(yīng)力計均不受采動影響，1#和2#應(yīng)力計應(yīng)力曲線圖如圖8。

圖8 1#和2#應(yīng)力計應(yīng)力曲線圖Fig.8 stress curves of 1#and 2#stress gauges

由圖8可以發(fā)現(xiàn)，切頂后1#應(yīng)力計數(shù)據(jù)明顯下降，2#應(yīng)力計數(shù)據(jù)基本沒有變化，采動影響前側(cè)向懸頂已經(jīng)破斷。

3.4 工作面下部來壓規(guī)律

在壓裂區(qū)段和非壓裂區(qū)段分別選取圖5中的區(qū)域1和區(qū)域2作為研究對象。基于工作面下部支架的來壓判據(jù)值，得到壓裂區(qū)段和非壓裂區(qū)段的來壓步距、動載系數(shù)和來壓強(qiáng)度見表1。

表1 工作面來壓統(tǒng)計表Table 1 Pressure statistics of working face

由表1可知，整體上看，切頂后二次采動影響下工作面下部來壓明顯減弱，實現(xiàn)了良好的解危效果。在壓裂區(qū)段和非壓裂區(qū)段頂板來壓有如下規(guī)律。

1）周期來壓步距。工作面在非壓裂區(qū)段工作面周期來壓步距為20.52～23.70 m，平均為21.97 m；在壓裂區(qū)段工作面周期來壓步距為19.61～21.64 m，平均為20.50 m，切頂后周期來壓步距減小。

2）動載系數(shù)。工作面周期來壓期間，非壓裂區(qū)段周期來壓動載系數(shù)在1.24～1.51之間，平均為1.37；壓裂區(qū)段周期來壓動載系數(shù)在1.08～1.23之間，平均為1.17，切頂后有效地改善了煤層上方頂板的活動，提高了工作面支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3）非壓裂區(qū)段各分區(qū)支架周期來壓期間的平均工作阻力在34.70～42.13 MPa，平均值為39.58 MPa；壓裂區(qū)段各分區(qū)支架周期來壓期間的平均工作阻力30.06～40.05 MPa，平均值為35.57 MPa，切頂后減緩了周期來壓強(qiáng)度，達(dá)到了預(yù)期的施工效果。

4 結(jié) 語

1）雙端封堵水力壓裂技術(shù)可以規(guī)避裂隙存在，能夠?qū)崿F(xiàn)有效保壓，同時避免爆破產(chǎn)生的巨大震動造成小煤柱結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞，是深部瓦斯礦井小煤柱巷道滯后解危的較好方法。

2）切頂后圍巖裂隙發(fā)育明顯，側(cè)向懸頂破斷，表現(xiàn)為采動影響前鉆孔應(yīng)力計數(shù)據(jù)明顯下降。基于工作面來壓規(guī)律分析，切頂后工作面下部周期來壓步距減小，來壓強(qiáng)度明顯降低，實現(xiàn)了良好的解危效果。