寺家莊礦水力壓裂切頂卸壓技術研究

席冰冰

（華陽新材料科技集團有限公司，山西 陽泉 045000）

1 工程概況

陽泉煤業寺家莊煤礦為典型的高瓦斯礦井，主采的15#煤層厚度在3.5～9.4 m 之間，平均厚5.29 m，煤層傾角在1°～20°，平均5°，賦存穩定。煤層結構較復雜，一般含矸2～3 層。直接頂為平均厚3.10 m 的砂質泥巖，基本頂為均厚6.80 m 的細砂巖，直接底為均厚3.08 m 的砂質泥巖，基本底為均厚6.59 m 的粉砂巖。煤層綜合柱狀圖如圖1。

圖1 煤層綜合柱狀圖

由于15#煤層上覆頂板巖層厚度較大，且硬度較大，工作面回采后采空區頂板巖層易形成大面積懸頂，而且15#煤層所處區域地應力較大，工作面回采期間，回采巷道在高地應力作用下，產生大變形。由于寺家莊煤礦為突出礦井，提出采用水力壓裂的方法，迫使采空區頂板巖層及時垮落，同時改善回采巷道力學環境，減小巷道變形[1-2]。

2 水力壓裂切頂卸壓方案設計

2.1 水力壓裂孔參數

以15110 工作面為工程背景，根據15110 工作面煤層賦存特點及采煤工藝流程，在工作面回采過程中，基本頂巖層斷裂后，斷裂巖塊結構如圖2。

圖2 老頂巖層斷裂巖塊結構示意圖

如圖2 所示，基本頂巖層破斷后采場上方形成關鍵巖塊A、B、C，其中巖塊B 的一端落在采空區，另一端落在區段保護煤柱上，其重量基本由區段煤柱承擔。在工作面回采過程中，采場上覆關鍵巖塊失穩-穩定-再失穩-再穩定的過程導致了工作面周期來壓。當采場上覆關鍵巖塊B 厚度越大，長度越長時，對區段保護煤柱產生的荷載也越大，從而引起巷道大變形。水力壓裂切頂卸壓的原理就是切斷采場上覆關鍵巖塊B 的長度，從而減小區段保護煤柱荷載，改善巷道圍巖所處力學環境，減小巷道變形量[3-4]。因此，確定關鍵巖塊B 的長度是設計水力壓裂孔參數的前提條件。巖塊B 的長度由式（1）計算：

式中：LB為關鍵巖塊B 的長度，m；mr為關鍵巖塊厚度，m；q為巖塊B 所受上覆巖層的荷載，MPa；RT為關鍵巖塊抗拉強度，MPa。

將15110 工作面現場數據代入上式，計算可得LB=23.86 m。因此，水力壓裂的水平長度應不小于23.86 m。

工作面回采后，采場上覆巖層垮落帶高度計算公式為：

式中：h為垮落帶高度，m；M為采高，m；K為頂板巖層碎脹系數，取1.33。

15110 工作面采高4.5～5.5 m，以最大采高5.5 m 計算可得h=16.67 m。

根據15110 工作面鉆孔資料顯示，15#煤層上覆16.67 m 范圍內的巖層分別為3.10 m 的砂質泥巖、3.91 m的粉砂巖、6.8 m的細砂巖和2.33 m的粉砂巖。采場上方垮落帶范圍以外，對采場產生影響的巖層依次為3.09 m 的細砂巖、4.64 m 的石灰巖、1.56 m的泥巖、3.35 m 的砂質泥巖、2.75 m 的粉砂巖和5.23 m 的細砂巖，其中最上方的細砂巖厚度大，強度大，且距離工作面較遠，可以認為這層細砂巖可以承擔上覆巖層的荷載而不發生破斷，因此，水力壓裂的高度應以壓裂2.75 m 的粉砂巖為準。

綜合考慮15110 工作面地質條件及施工設備，以上述分析結果為依據，水力壓裂方案如圖3，每隔10 m 設置一個水力壓裂孔。

圖3 水力壓裂孔參數

2.2 水力壓裂工藝流程

考慮到15110 回風巷機械設備較少，因此在15110 回風巷選擇400 m 試驗段進行現場試驗。回風巷頂板巖層水力壓裂如圖4。

圖4 冒頂治理前后工作面支架工作阻力監測值

圖4 頂板巖層水力壓裂

施工流程如下：

安置封孔器→接注水管→連接高壓水泵→對封孔器加壓→注水壓裂（注水30 min 或者相鄰水力壓裂孔有出水現象即可停止注水壓裂）→封孔器卸壓→對注水孔下一段進行注水壓裂→直到注水孔壓裂段全部壓裂→循環上述過程對下一水力壓裂孔進行注水壓裂。

3 現場試驗

3.1 現場施工

在15110 回風巷采用后退式進行單孔壓裂，每隔2～3 m 進行一次水力壓裂。為保證壓裂效果，可借助窺視儀窺視結果對水力壓裂的強度進行調整，單孔水力壓裂次數保持在10～13 次，在距離孔口處13 m位置停止水力壓裂。在水力壓裂過程中，如果頂板發出異常聲響或者有大面積出水現象，需及時停止水力壓裂作業。在水力壓裂過程中，可借助窺視儀觀察水力壓裂效果，并根據窺視結果掌握頂板巖層變化情況，及時對水力壓裂孔參數進行適當調整。

3.2 現場監測

為了解水力壓裂效果，對15110 回風巷巷道圍巖變形及煤體應力進行現場監測。在距離開切眼200 m及300 m 位置布置兩個綜合測站，用于監測巷道圍巖變形及煤體應力。采用十字布點法對巷道圍巖變形進行測量，在采幫側分別打3 m、6 m、9 m、12 m 深的鉆孔進行煤體應力監測。現場監測曲線如圖5。

圖5 現場監測曲線

如圖5（a）和5（b），工作面回采期間，兩個測點頂板下沉量最大值分別為52 mm 和66 mm，底鼓量最大值分別為144 mm 和72 mm，兩幫移近量最大值分別為165 mm 和175 mm。現場監測結果表明，對頂板巖層進行水力壓裂后，巷道圍巖變形量較小，可以滿足現場的安全生產需求。

如圖5（c）所示，3 m 深鉆孔應力計初始數值為7.7 MPa，在工作面回采過程中，應力計監測值在小范圍內波動，變化不大。6 m 深鉆孔應力計初始數值為10 MPa，工作面回采過程中，應力值基本保持穩定，直到距離工作面62 m 范圍以內時，應力值開始減小，最終應力值減小到6.2 MPa。9 m 深鉆孔應力計初始數值為10 MPa，在工作面回采過程中，呈波動狀緩慢增長的趨勢，直到距工作面19 m位置達到最大值12.4 MPa，之后應力值開始降低，表明此時煤體已經處于破壞狀態。隨著工作面推進，煤體破壞越來越大，應力值也逐漸降低。12 m 深孔應力計初始數值為7.6 MPa，隨著工作面的推進緩慢增大，在距工作面16 m 位置達到最大值為9.4 MPa，之后應力值開始降低，表明在距離工作面16 m 時，煤體開始發生破壞。如圖5（d）所示，3 m 深鉆孔應力計初始數值為9.1 MPa，在工作面回采過程中，應力計監測值在小范圍內波動，在距離工作面20 m 時，應力值開始降低，表明此時煤體發生破壞，超前支護范圍20 m 是合理的。6 m 深鉆孔應力計初始數值為9.8 MPa，工作面回采過程中，應力值基本保持穩定，直到距離工作面26 m 時，應力值達到最大值10.5 m，之后開始減小。9 m 深鉆孔應力計初始數值為9.2 MPa，在工作面回采過程中，呈波動狀緩慢增長的趨勢。12 m 深孔應力計初始數值為10 MPa，隨著工作面的推進緩慢增大，在距離工作面23 m 位置達到最大值12 MPa，之后應力值開始降低，表明煤體開始發生破壞，但仍然具有一定的承載力。

4 結語

以15110 工作面為工程背景，通過理論分析、工程對比，確定15110 回風巷頂板巖層水力壓裂深度為壓裂垂直距離工作面31.5 m 的粉砂巖為準，綜合考慮鉆孔設備，水力壓裂孔與垂直方向夾角為50°。在15110 工作面選擇400 m 試驗段，并在距離工作面100 m 和200 m 位置布置兩個測站用于監測巷道圍巖變形量及煤體應力變化。現場監測數據顯示：兩個測點頂板下沉量最大值分別為52 mm 和66 mm，底鼓量最大值分別為144 mm 和72 mm，兩幫移近量最大值分別為165 mm 和175 mm，且煤體并無明顯應力集中區域，切頂卸壓效果良好。