定向水力致裂技術在堅硬頂板弱化控制中的應用

王文斌

(大同煤礦集團有限責任公司同家梁礦，山西 大同 037003）

在近水平厚煤層開采過程中，綜放一次采全高雖然提高了產能和效率，但是也造成采場上覆巖層結構失衡，礦壓顯現較為強烈，圍巖結構失穩，易出現下沉、變形甚至出現沖擊地壓災害等情況。8111 綜放工作面的臨空順槽5111 巷就出現了巷道頂板下沉、底鼓、幫鼓嚴重等問題，集團公司決定通過定向水力致裂技術解決這一問題。

1 概況

馬脊梁礦8111 工作面屬石炭系C3#煤層，其地面標高1306～1405 m，井下標高873～909.4 m，設計可采儲量380 萬t。C3#煤層賦存條件較好，煤層厚度可達5.30～8.10 m，平均6.80 m，屬中厚煤層。C3#煤層中存在3～5 層夾矸層，水平傾角較小約為2～4°。瓦斯濃度相對較小，其中相對瓦斯涌出量為0.35 m3/t，絕對瓦斯涌出量0.76 m3/min。8111 工作面走向長度約為239.4 m，頭順槽長2466 m，尾順槽長2481 m。

5111 巷至8111 工作面切眼531 m 位置與停采線間相鄰段為臨空巷道，為已采工作面8101 工作面采空區，其間留設有30 m 寬的煤柱。臨空巷道5111 巷頂板需要承受本工作面采動所產生的超前支承力，同時與8101 采空區老頂連接，受到該區域頂板所形成的懸梁結構傳遞的殘余支承應力。兩種作用會造成5111 巷頂板應力集中，礦壓顯現強烈，會造成頂板下沉、底板底鼓和片幫。巷道支護的錨桿和錨索出現部分失效（如圖1 所示），并且部分單體支柱也出現支護失效和損壞，巷道變形嚴重，最嚴重的區段高度由原來的3.7 m 降低至0.9 m，寬度由5.4 m 縮減為3.6 m。

圖1 礦壓顯現導致的破壞現場圖

2 定向水力致裂技術原理與施工工藝

定向水力致裂其原理是通過利用高壓水流切斷煤巖體的原有結構聯系，從而起到定向轉移部分上覆巖層壓力，主動改善煤巖體中的應力集中狀況。煤、巖體被水分充分浸潤后，滲透能力增強，抗壓能力和彈性模量下降，微觀結構中的相互粘結作用下降，呈現出應力跌落現象，但整體結構的柔性和塑性會出現一定的增強，承壓過程中所受到沖擊傾向減弱，并延長受破壞時間。水力致裂過程的高壓水流能夠將應力集中的部分應力進行轉移和重新分布，起到提高應力集中區內煤巖體圍巖穩定性的作用。水力致裂作業過程中，單純利用高壓水流造成深度孔壁裂隙效果并不明顯，需要對鉆孔進行人工切槽定向致裂，再通過切縫鉆頭流出的高壓水流沖擊槽面的尖端，而鉆桿在設定位置旋轉射出高壓水流后退，重復該工序后形成需要的徑向裂縫，封孔后繼續注入高壓水流，裂縫進一步擴展。

水力致裂成套裝備包括井下用高壓注水泵、水箱、定向水力致裂開槽鉆頭、刀片及專用封孔器等（如圖2 所示）。其中，高壓泵及配套管路為工作面乳化液工作站內配套設備，輔助配備水流壓力與流量的各類儀表與鉆孔窺視鏡等。鉆機采用ZYJ-400/135 型架柱式鉆機，鉆孔直徑為Φ50 mm，高壓泵最大工作壓力為40 MPa。

圖2 特高壓水力致裂成套裝備

定向水力致裂弱化圍巖技術工藝流程順序為：注水鉆孔施工—開槽—分段式封孔—高壓注水。水力致裂鉆孔施工，提前對需要軟化圍巖應力的實體煤巖體前方傾斜向上施致裂鉆孔，通過架柱式鉆機對頂板進行施工。當施工至預定位置后，通過定向水力致裂開槽鉆頭對孔底施兩倍直徑的楔形槽，并通過鉆孔窺視鏡查驗鉆孔開槽情況。對完成開槽后的致裂鉆孔進行預沖孔處理，通過跨式封孔器對切槽位置進行封孔。最后，通過高壓注水泵對封堵后的鉆孔進行注水致裂。

3 定向水力致裂技術的應用實踐

3.1 方案設計

通過對8111 工作面老頂施水力致裂鉆孔，以此弱化5111 臨空巷應力集中。水力致裂鉆孔施工超前工作面200 m，沿5111 臨空巷煤柱側巷幫，朝向8101 采空區方向施水力致裂鉆孔，鉆孔直徑50 mm。水力致裂鉆孔單排布置，間距20 m，深度約28.4 m，并與底板呈26°仰角，沿5111 煤柱巷幫側水平投影距離25 m。8111 工作面水力鉆孔布置平面圖如圖3 所示。

圖3 8111 工作面水力鉆孔布置平面圖

水力致裂鉆孔采用封孔器封孔過程中，安裝桿及高壓膠管需要安裝牢固，避免加壓過程中脫開對周圍人員、設備等造成損傷。封孔器安裝時嚴禁人員處于鉆孔正下方，開始加壓后操作人員應遠離鉆孔附近，并保持20 m 以上的安全距離，高壓注水停泵操作5 min 以上方可進入鉆孔附近區域進行相關檢查和操作。水力致裂過程應逐級進行，并確保鉆孔封孔后無滲水、漏水現象。加壓致裂過程中通過水壓流量儀對加壓過程中的水流流速和水壓進行實時監控，當水泵流量突然增大，應及時停止水泵的加壓。監控過程中需注意觀察相鄰鉆孔和鉆孔附近巷道頂板支護中錨桿和錨索末端滲水情況，用來確定水力致裂后的裂隙范圍情況，當該現象發生后且水壓發生明顯下降時，停止加壓。同時致裂加壓過程還需要考慮輔助巷的超前支護狀況，監控支護的單體液壓支柱工作阻力和活柱量變化。

3.2 應用效果

以18#鉆孔壓裂過程為例，使用徐州佑學礦業科技有限公司生產的HF60 型水力致裂測控儀記錄水壓隨時間的變化。致裂時最大水壓達到23 MPa，致裂時第6～12 min 停泵更換損壞的高壓膠管密封圈，再次啟動高壓泵后水壓下降到9 MPa 左右，并維持穩定。從壓力曲線的走勢可以明顯看出，在第13 min 時頂板明顯被壓開，形成預裂切縫。18#鉆孔水力致裂壓力曲線圖如圖4 所示。

自5111 巷1890 m 處開始實施水力致裂，截至水力致裂鉆孔施工結束至90 m 處，共施工96 個鉆孔，成功預裂93 個（其中3 個鉆孔塌孔無法致裂），致裂時水壓為7～53 MPa。自5111 巷1890～90 m 段水力致裂弱化圍巖后，巷道頂板礦壓顯著下降，說明致裂切頂有效打斷臨空巷頂板與鄰近采空懸頂間的聯系，并且5111 巷分別能夠確保高度1.8 m 和寬度4.2 m 的最小安全通過出口，較致裂切頂前得到極大改善。

圖4 18#鉆孔水力致裂壓力曲線圖

4 結語

通過施工水力致裂切頂鉆孔，在基本頂內形成切縫，有效避免了5111 巷頂板同時承受超前支承壓力和采空區殘余壓力而導致的縮幫、頂板下沉等變形。根據實踐證明，這一技術在控制巷道變形方面具有明顯的作用，為同煤集團類似工作面的圍巖控制提供了參考。