榆神礦區工作面穩定難垮巖層水力預裂控制技術及應用

2021-08-23 01:06:44閆小衛馮彥軍

現代礦業 2021年7期

閆小衛馮彥軍

（1.陜西煤礦安全監察局榆林監察分局；2.中煤科工開采研究院有限公司）

我國煤礦井下主要采用全部垮落法管理采空區頂板，《煤礦安全規程》規定，“采煤工作面用垮落法管理頂板時，必須及時放頂。頂板不垮落、懸頂距離超過作業規程規定的，必須停止采煤，采取人工強制放頂或者其他措施進行處理”。國家安全監管總局、國家煤礦安監局關于加強煤礦頂板管理工作的通知（安監總煤行〔2008〕176號）要求，“煤礦企業要做好大面積冒頂事故的防范工作。開采堅硬頂板的煤層，采后頂板不垮落、懸頂距離超過作業規程規定時，必須停止采煤，采取措施強制放頂”。

針對我國煤礦井下堅硬及穩定難垮巖層，目前有效的人工強制放頂技術是深孔爆破和水力壓裂［1］，通過預先弱化工作面頂板關鍵層位的整體穩定性，使采空區懸頂面積和來壓步距處于合理范圍，從而保證頂板安全、有序垮落，提升礦井頂板安全風險的管控水平。

其中，深孔爆破人工強制放頂技術應用較早，其操作簡單、適用性強、效果顯著［2］。但由于一次性使用炸藥量大，爆破致裂容易產生大量有毒氣體，威脅井下工人生命安全。近年來，隨著煤礦井下頂板巖層水力壓裂技術的發展，已逐步成為堅硬、穩定難垮頂板弱化的主要技術［3-5］。

礦井巖層水力壓裂涉及復雜的多物理場及其耦合問題，水力裂縫的擴展過程包括縫內流體的三維流動、孔隙介質的三維力學變形、裂縫動態向前擴展、滲流以及孔隙壓力非線性變化以及各因素交互影響等。此外，水力裂縫的動態延展受客觀條件（比如天然裂縫、地應力場、巖石物理力學性質、孔隙流體及壓力等）和可控因素（注液速率、壓裂液黏度、壓裂液濃度、壓裂方式）的影響。

因此，根據我國煤礦井下穩定難垮頂板治理現狀，基于水力壓裂力學模型與礦井巖層壓裂治理技術工藝，通過分析榆神礦區頂板巖層特征和水力預裂弱化頂板巖層技術的適應性，提出相應的頂板巖層水力壓裂技術方案，有效解決榆神礦區工作面采空區穩定難垮頂板的控制問題，對于保證采空區頂板順利、及時垮落及安全生產有重要意義。

1 巖層水力壓裂理論

水力壓裂理論基于固體力學、流體力學、滲流力學及熱力學等多門學科，建立巖層在水壓作用下裂縫開裂及擴展的力學模型與力學準則。目前，水力裂縫起裂計算主要采用彈性理論和斷裂力學，水力裂縫擴展采用數值計算方法，分析水力縫網的時空分布規律及其工程作用。

在水力裂縫擴展研究方面，有學者考慮原生裂縫與水力裂縫的相互作用，研究了水力裂縫擴展規律及影響因素［6-7］。隨著水平地應力差增大，裂縫轉向后趨于變窄。隨著壓裂液流量和黏度增大，裂縫寬度隨之增大。水力裂縫與天然裂縫的初始逼近角為30°時，較容易沿原生裂縫轉向。水力裂縫偏離最大主應力方向擴展容易造成裂縫寬度變窄、裂縫長度和體積變小，這是由于裂縫開啟過程中需要耗散更多的能量。同時，水力裂縫擴展對原生裂縫也會產生一定影響，當水力裂縫逼近原生裂縫時，原生裂縫面的受力狀態不斷發生變化，甚至導致原生裂縫發生失穩。

通常，水力裂縫的起裂壓力及其擴展的幾何尺寸是壓裂的主要參數。對于垂直或水平鉆孔，常用的起裂壓力計算如式（1）。

其中，pb為起裂壓力，σmin為最小主應力，σmax為最大主應力，σT為巖石的抗拉強度，其單位均為MPa。

式（1）假定巖層簡化為連續均質且各向同性的材料，采用彈性理論的最大拉應力準則分析巖石破裂的條件。然而巖層為孔隙介質，在水力裂縫面與介質內部存在壓差時，高壓流體通過孔隙滲入其內部，因此，考慮液體濾失影響時，Haimson和Fairhurst［6-7］通過實驗證明了巖層的孔隙及孔隙流體對起裂壓力的影響，Schmitt和Zoback［8-9］給出了修正計算公式，計算結果與實驗數據一致性更好。對于滲透性較差的巖層，起裂計算如式（2）所示，對于滲透性較好的巖層，起裂計算采用式（3）。

其中，pb為孔隙壓力，MPa；β為拉伸破壞準則條件下的孔隙壓力因子，1≥β≥0；v為泊松比；α為Biot’s孔隙彈性參數，1≥α≥0，隨著巖石剛度增大，該值呈減小趨勢。

式（2）和式（3）表明，巖石孔隙和孔隙壓力降低鉆孔起裂壓力。對于傾斜鉆孔，經過坐標轉換計算起裂壓力，其變化規律如圖1所示。鉆孔和地應力場參數決定巖層破裂壓力。其中，θAz為鉆孔方位角，（°）；σv為垂直主應力，MPa；σH、σh分別為最大、最小水平主應力，MPa；θInc為鉆孔傾角，（°）。詳細的起裂壓力計算及其變化規律見文獻［10］所述。

水力裂縫的幾何尺寸決定了壓裂改造地層的效果，經典KGD等高裂縫模型［11］認為裂縫的高度是恒定的，見圖2，裂縫在鉆孔徑向平面滿足平面應變條件，適用于縫長與縫高比等于或小于1的條件。

縫內水壓分布如式（4）所示。不考慮液體濾失，縫長和縫寬的計算分別見式（5）和式（6）。

其中，f=x/L，f1=R/L，h為縫高，m；L為裂縫總長度，m；p為縫內水壓，MPa；pw為鉆孔內水壓，MPa；Q為流體進入裂縫的排量，m3/min；R為鉆孔半徑，m；W為縫寬，m；μ為流體黏度，mPa·s；t為壓裂時長，min；流體為牛頓體。

PKN模型［12］和Circular裂縫模型［13］關于縫內水壓及裂縫幾何尺寸的計算詳見相關文獻。

地層在實際壓裂過程中，水力裂縫為三維形典型的三維水力裂縫模型見圖3。

由于裂縫寬度遠小于縫長和縫高，流體壓力及流速的變化在縫寬方向（z方向）的變化可忽略。則流體運動的Navier-Stokes方程如式（7），縫內流體在x、y方向的速度場如式（8）所示，考慮液體濾失條件下，縫內流體運動的控制方程如式（9）。其中，cl是濾失系數，tl（x，y）是在（x，y）位置的開始濾失時間。結合流量守恒、邊界條件、約束條件和裂縫張開型位移方程（即I型裂縫張開位移方程），采用Galerkin有限元方法等數值計算方法，可描述裂縫隨時間的擴展過程。對均勻應力場，其計算結果與二維KGD模型預測結果接近，對非均勻應力場，其計算結果與PKN模型預測結果接近。

其中，cl是濾失系數；tl（x，y）是在（x，y）位置的開始濾失時間，min；其他物理量的解釋見前面符號。

2 典型穩定難垮巖層特征

選擇榆神礦區具有典型穩定難垮頂板巖層的礦井，通過井下實測的方式調查頂板巖層特性［14］，包括圍巖強度、圍巖結構和地應力場。

2.1 原位圍巖強度

原位圍巖強度測試采用鉆孔觸探法，基于探針載荷作用下壓碎巖體的原理。井下煤巖體強度測定在頂板鉆孔中進行，具體工藝方法見圖4。典型測試結果見圖5。圖5中擬合曲線為強度平均值。

測試頂板巖層深度為36 m，即從回采巷道頂板向上測試，測試點間隔為0.5 m。從圖5測試結果可知，頂板巖層強度為35.4～81.5 MPa，平均為54.6～62.3 MPa，從巷道頂板至上覆巖層，巖層強度呈減小趨勢。分別在距離巷道頂板6、13、28.5 m區域圍巖強度較高。

2.2 原位圍巖結構

采用鉆孔窺視儀進行頂板鉆孔原位巖層結構測試，測試方法方便、快速、成本低。井下頂板巖層結構原位測試過程見圖6所示。巖層結構測試鉆孔與圍巖強度測試鉆孔為同一鉆孔。

從測試結果可知，頂板巖層整體性較好，屬于穩定巖層，局部位置有裂隙，從巖性角度判斷，以砂巖、泥巖為主，鉆孔深度小于2.4 m時，為煤或炭質泥巖，分別在27.7～27.9 m和32.5～32.8 m區域頂板巖層有離層或天然裂隙，鉆孔其余位置較為致密、完整。

通過對比鉆孔結構測試結果與圍巖強度測試結果，在含有天然裂隙的鉆孔范圍，巖層強度相對較低，2種測試方法所得結果得以相互驗證。

采用水壓致裂法測試頂板巖層地應力場，地應力場是水力裂縫延伸方向的主控因素，榆神礦區典型工作面地應力場參數見表1。表中，H，σv，σH，σh，φ分別表示埋深、垂直主應力、最大水平主應力、最小水平主應力和最大水平主應力方向。

因此，通過圍巖強度和巖層結構測試可知，榆神礦區頂板巖層的特征為強度屬于中等水平，巖層致密、完整屬于穩定難垮類型，地應力場類型為水平主應力主導型應力場。

3 頂板巖層水力預裂

巖層水力預裂技術是基于水力壓裂理論與礦井頂板巖層弱化工藝要求發展起來的［15-16］。

水力預裂技術是指在工作面回采前，通過工作面切眼或巷道向工作面上賦巖層實施壓裂作業，預先壓裂弱化頂板巖層，降低巖層的穩定性和整體性，待其進入采空區后可及時、逐步垮落，避免采空區形成大面積懸頂，消除一次性頂板垮落造成劇烈沖擊，保證安全回采。水力預裂工藝［15］主要包括鉆孔施工、鉆孔壓裂段開槽、封孔、壓裂等環節。

4 井下驗證

4.1 壓裂方案

壓裂方案的確定基于地層和開采條件，根據水力壓裂理論進行計算以及類似工程實踐，初次放頂壓裂方案設計依據包括鉆孔圍巖強度測試結果、巖層結構測試結果、采高、煤層厚度、頂板巖層巖性與厚度等參數綜合確定。榆神礦區為典型的穩定巖層礦井，基于水力壓裂初次放頂特點，從工作面切眼位置向頂板施工鉆孔，分別向工作面推進方向設置L和S孔，具體方案如圖7所示。

在壓裂過程中，通過監測水壓和流量的變化、頂板錨桿、錨索、相近鉆孔的出水情況，控制壓裂作業時長以及壓裂的效果。

典型壓裂壓力變化見圖8所示?？梢钥闯?，壓裂有明顯的起裂階段，起裂后壓力下降，并維持在一定的水平擴展，壓裂曲線變化形態表明，壓裂過程中水力裂縫未遭遇天然裂縫，說明巖層的天然裂隙不發育，其整體性和完整性較好。擴展壓力約17 MPa，說明巖層強度不高。通過錨索孔和鄰近鉆孔出水監測，見圖9，可以判斷水力裂縫的擴展范圍平均為15～21 m。

4.2 頂板垮落效果

頂板巖層通過單孔多次水力壓裂，穩定難垮巖層被分為多層，待其進入采空區后，巖層可及時分層分次逐步垮落。具體過程為，工作面推進約10.4 m時，直接頂巖層全部垮落，起始垮落區域為工作面中部，垮落范圍隨后緩慢擴大，直至工作面范圍內垮落完成，其過程未出現颶風與動載沖擊。工作面推進約34.6 m時，基本頂開始來壓，支架工作阻力開始升高，部分支架安全閥開啟，隨后保持平穩，初次來壓期間來壓平穩且緩和，未產生沖擊和影響，工作面實現安全初采。