厚煤層綜放工作面沿空掘巷堅硬頂板水力壓裂弱化技術研究

張慶國

(山西三元煤業股份有限公司，山西省長治市，046000)

目前，我國煤礦可采煤層中堅硬頂板煤層大約占三分之一[1-4]。厚煤層堅硬頂板具有硬度大、完整性好、分層厚度大等特征，難以及時垮落，一旦在工作面采空區的上方形成大面積的懸頂結構，極易造成頂板大面積來壓，嚴重威脅煤礦安全生產[5-6]。針對三元煤業厚煤層堅硬頂板沿空掘巷的工程條件，采用水力壓裂弱化頂板能夠明顯改善厚煤層綜放工作面沿空掘巷巷道的應力環境，從而提高圍巖穩定程度，是一種行之有效的頂板控制技術。

目前，國內外學者已對沿空巷道圍巖的穩定性控制方法開展了大量的研究與現場試驗[7-12]。如戚福州[13]以高應力沿空掘巷工程實踐為研究背景，優化了煤柱寬度設計，并進行了預裂切頂現場工業性驗證；閆少宏等[14]結合理論研究成果進行了現場試驗，采用人工切槽注入高壓水的方法使堅硬老頂分層；康紅普等[15]通過水力壓裂機理的研究，得到水力壓裂前后鉆孔應力的變化，并對壓裂效果進行了系統的評價；吳擁政[16]針對回采工作面雙巷布置中的留巷支護問題，制定了定向水力壓裂留巷卸壓方案，并且進行了后續井下試驗和礦壓監測。但目前這些研究大部分缺乏對于水力壓裂的直觀效果的監測。

為此，本文以山西三元煤業具體工程地質條件為背景，分析了水力壓裂弱化堅硬頂板的力學機理，設計了具體的水力壓裂頂板弱化方案，在4302回風巷進行了現場試驗[17]，并且進行了后續效果監測。

1 工程地質概況

根據三元煤業四采區圍巖地質力學測試報告，4302綜放工作面頂板巖性依次為頂煤、中砂巖、細砂巖等。其中，細砂巖與中砂巖巖層段的普氏硬度系數為7～8，屬于厚層堅硬頂板，煤層頂底板柱狀圖見圖1。

圖1 煤層頂底板柱狀圖

當4302綜放工作面回采后，會在側向形成跨距較大的懸臂梁結構，懸臂梁結構產生的應力集中會使下一個工作面4306回風巷圍巖應力增加。為了減小4306工作面回風巷小煤柱(寬5 m)沿空掘巷圍巖壓力，通過水力壓裂切頂方式將4306回風巷小煤柱上方懸臂梁切落，從根本上達到控制巷道變形量的目的。

本次水力壓裂切頂工程實施地點在三元煤業4302綜放工作面回風巷，4302工作面回風巷頂板水力切頂范圍為0～900 m。在實際施工過程中，4302工作面停采線預計位于距離開切眼864 m(4302運輸巷側)和889 m(4302回風巷側)。因此，將4302工作面頂板水力壓裂終止位置由原先距離開切眼1 090 m，調整為距離開切眼900 m。共計施工116個鉆孔，施工分3個階段進行。

2 水力壓裂弱化力學機理分析

分析4306回風巷礦壓顯現的原因，主要是4302工作面回采后，煤層上方完整堅硬頂板垮落不充分，造成側向懸頂，壓力作用在小煤柱和4306回風巷圍巖，一旦集中垮落，會形成較大的超前支承應力，并與側向應力形成疊加，從而造成高應力集中。

在4302工作面采空區側向形成的懸臂梁結構，是巷道受側向采動影響的根本原因，因此破壞懸臂梁結構是頂板卸壓的關鍵。當懸臂梁結構被切斷后，煤柱上部的懸臂結構由“固支” 變為“簡支”，煤柱側的應力狀態發生變化，煤柱側的應力向外部轉移，從而減少巷道的應力集中，如圖2所示。

圖2 堅硬頂板側向懸頂結構

因此，需要采用水力壓裂弱化技術對4302回風巷的堅硬頂板進行圍巖控制，阻斷側向應力的傳遞路徑，并使作用在煤柱上的應力得到減輕，使懸頂能隨工作面推采及時、充分垮落，減弱超前支承壓力。

3 工程實踐

水力壓裂鉆孔的設計參數(鉆孔長度、角度、間距)根據頂板巖層結構、巖性、采高及采煤方式綜合確定。依據三元煤業四采區圍巖地質力學測試報告，4302綜放工作面頂板巖性依次為頂煤、中砂巖、細砂巖等，鉆孔垂深20.3 m，其中煤層段垂深3.7 m，巖層段垂深16.6 m。通過理論計算與數值模擬分析，制定了三元煤業4302回風巷堅硬頂板水力壓裂切頂的鉆孔布置方案，如圖3所示。

圖3 水力壓裂鉆孔布置示意圖

在4302回風巷向4306工作面側煤幫，向工作面推進方向后方布置水力切頂鉆孔，共計需要布置120組鉆孔。1～20號鉆孔排距10.0 m，21～120號鉆孔排距7.0 m。自第61組鉆孔開始實施加沙壓裂，所用沙粒為石英砂，粒徑為20～40目(425～850 μm)。由于沙粒的支撐作用，水力壓裂完畢后頂板巖體裂隙可在較長時間內保持張開的狀態，從而增強頂板巖體弱化效果。

開孔位置巷道頂角1.3 m，與頂板夾角為70°，與巷道走向的夾角為47.4°，鉆孔直徑56 mm，鉆斜孔深21.6 m，其中煤層段斜深3.9 m，巖層段斜深17.7 m。水力壓裂鉆孔空間布置方案如圖4所示。水力壓裂鉆孔工程量(長度)總計為3 348 m。

圖4 水力壓裂鉆孔空間布置方案

鉆孔壓裂采用倒退式，即從鉆孔底部開槽處向孔口依次進行壓裂，每2.2 m壓裂一次，壓裂層位為孔深11.5～21.6 m， 水力壓裂施工層位如圖5所示。施工泵壓為25～30 MPa，鉆孔采用雙封封孔器，膠囊長度1.2 m，中間壓裂段長度為0.6 m，預計可形成的水力裂縫長度為5～8 m。

圖5 水力壓裂施工層位示意圖

4 水力壓裂效果分析

為評價工作面頂板水力壓裂弱化效果，一般采用如下3種手段進行：

(1)水力壓裂過程中進行實時注水水壓、水量及注水時間監測。

(2)水力壓裂過程中的鄰近鉆孔或錨桿錨索孔出水情況監測。鄰近鉆孔出水說明水在巖層中已經形成了通路。根據出水孔的位置可以大致判斷水力裂縫擴展范圍。

(3)壓裂裂隙鉆孔窺視。采用數字全景鉆孔結構窺視儀觀測壓裂孔裂縫形態，分析鉆孔表面裂縫走向與分布特征。但是，這種方式一般只能用于宏觀裂隙監測，而對于水力壓裂過程中可能形成的大量微觀裂隙難以監測。

采用上述手段，通過對現場水力壓裂過程進行跟蹤監測與分析，得到了如下規律與結論。同時部分監測結果見表1。

表1 部分鉆孔監測結果

(1)未加沙時注水壓力最大值約為30 MPa，最小值約為15 MPa，每個鉆孔每個壓裂位置的平均注水時間約為20 min，每個壓裂位置的注水量約為1 m3；加沙后注水壓力最大值約為30 MPa，最小值約為22 MPa，每個鉆孔每個壓裂位置的平均注水時間約為18 min，每個壓裂位置的注水量約為1 m3。

(2)第1～20號鉆孔間距為10.0 m，周邊鉆孔出水率較低(約30%左右)，這表明在原設計的壓裂方案和三元煤礦4302工作面頂板地質條件下，水力裂隙大部分無法達到10.0 m以上。

因此，將后續的鉆孔間距調整為7.0 m，第21～120號鉆孔在壓裂過程中均可以在兩側的鉆孔觀察到水流，出水率達到了89.5%。這個現象表明水力壓裂的效果較好，在較大的空間內產生了縫隙，根據鉆孔施工的間隔距離，大致預計水力壓裂所影響的范圍在7.0～10.0 m內。

(3)水力壓裂后，部分鉆孔中致裂段可以觀察到明顯的宏觀軸向及徑向裂縫。典型鉆孔壓裂段觀測到的宏觀裂縫如圖6所示。這證明了水力壓裂參數設計較為合理。

圖6 典型鉆孔壓裂段觀測到的宏觀裂縫

(4)采用水力壓裂技術對4302回風巷的厚層堅硬頂板進行弱化改造以后，通過水壓形成的宏觀裂隙損傷、微觀裂隙損傷、水致強度軟化等多方面的綜合作用，預計可以使得4302回風巷的厚煤層堅硬頂板的硬度系數從7～8降低為4～5左右。當4302工作面回采以后，側向采動應力峰值將向煤柱深部轉移，且應力集中程度降低，從而為4306工作面回風巷沿空掘進(5 m煤柱)提供了良好的應力環境。

5 結語

(1)4302工作面回風巷頂板水力切頂范圍為0～900 m，共計施工120個鉆孔。第1～20號鉆孔間距為10.0 m，周邊鉆孔出水率較低(約30%左右)，調整鉆孔間距為7.0 m后，后續施工的第21～116號鉆孔周邊鉆孔出水率達到了89.5%，這表明絕大部分水力裂隙可以達到7.0 m以上，總體施工效果良好。

(2)自62號鉆孔以后進一步優化施工方案，在壓裂水中加沙(支撐劑)，加沙后的第62～116號鉆孔周邊鉆孔出水率達到了100.0%，且出水均含沙。這表明水力裂隙可以達到7.0 m以上，施工效果良好。

(3)施工過程中，注水壓力最大值約為30 MPa，最小值約為15 MPa，每個鉆孔每個壓裂位置的平均注水時間約為20 min，每個壓裂位置的注水量約為1 m3；水力壓裂影響的范圍在7.0 m左右，堅硬頂板的硬度系數預計可以從7～8降低為4～5左右，為4306工作面回風巷沿空掘進(5 m煤柱)提供了良好的應力環境。在整個施工過程中，水力壓裂施工設計不斷完善，施工效果不斷提高，最終取得了良好的施工效果。