平朔井工一礦定向水力壓裂頂板減小煤柱應(yīng)力技術(shù)研究

＊彭可平

（中煤平朔集團(tuán)有限公司井工一礦 山西 036006）

引言

礦體中的豎井、斜井及巷道等采掘空間打破了原巖體的初始應(yīng)力平衡狀態(tài)[1]。煤巖采動(dòng)使得原本均勻分布的巖體應(yīng)力重新分布，在部分區(qū)域還會(huì)出現(xiàn)高應(yīng)力狀態(tài)，在高應(yīng)力作用下，不僅會(huì)導(dǎo)致巷道或者工作面的嚴(yán)重變形，而且在特定條件下，還使得巖爆、沖擊地壓、煤與瓦斯突出等動(dòng)力學(xué)災(zāi)害事故發(fā)生的可能性急劇增加[2]。

預(yù)防和控制高應(yīng)力造成災(zāi)害性事故則主要依靠各種巖層卸壓技術(shù)。目前巖層卸壓技術(shù)主要有爆破、巖層注水、鉆孔等卸壓方法，傳統(tǒng)爆破強(qiáng)制放頂方法在某些工況下有一定的效果，但存在成本較高、安全性較差以及爆破震動(dòng)等缺點(diǎn)[3]。水力壓裂技術(shù)不僅不會(huì)導(dǎo)致額外震動(dòng)，且可以適用于高瓦斯礦井，具有較強(qiáng)的適用性[4]。

水力壓裂技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用較為復(fù)雜，卸壓技術(shù)和巷道應(yīng)力轉(zhuǎn)移特征等都需進(jìn)一步研究。平朔井工一礦目前開采的9#煤層，19110工作面區(qū)段煤柱寬度20m，隨著開采深度增加，礦壓顯現(xiàn)逐步加劇，巷道維護(hù)費(fèi)用較高。本文根據(jù)9#煤層實(shí)際賦存條件、巷道布置、煤柱留設(shè)及工作面推進(jìn)過程中來壓、巷道變形等情況，通過水力壓裂技術(shù)手段[5]，對(duì)巷道應(yīng)力變化進(jìn)行探索研究，確定合理的卸壓布孔方式，為卸壓技術(shù)在平朔礦區(qū)的應(yīng)用提供示范[6]。

1.工程概況

19110工作面是太西采區(qū)9煤組第五個(gè)工作面，工作面寬凈寬241.5m，工作面面積為780290m2，工作面標(biāo)高966.1～1188.4m，19110工作面上部為14110工作面采空區(qū)，北部與19109工作面相鄰，東部是太西三條大巷及保護(hù)煤柱，南部為設(shè)計(jì)19111工作面，西部為地表物探小窯破壞區(qū)。工作面回采煤層為9煤，該煤層為中灰、高揮發(fā)分、中高硫、低固定碳、中熱值的長(zhǎng)焰煤，經(jīng)鉆孔和巷道實(shí)際接露，該煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；9煤最大厚度13.7m，最小厚度為9.2m，平均為11.9m。工作面內(nèi)煤層厚度賦存穩(wěn)定，煤層中含夾矸2～3層，夾矸為深灰-黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖。煤層以半亮煤為主，瀝青光澤，條帶狀結(jié)構(gòu)，發(fā)育少許內(nèi)生裂隙，硬度一般，局部性脆易碎，含黃鐵礦結(jié)核。

2.水力致裂方案

(1)水力壓裂弱化頂板原理

工作面回采過后頂板側(cè)向斷裂線的位置影響煤柱應(yīng)力集中程度：如圖1，如果頂板A巖塊和B巖塊的的斷裂線位置在巷道上部或者煤柱上部，那么煤柱會(huì)變?yōu)閹r梁一端的承載基，煤柱受力集中，煤柱塑性區(qū)范圍大，鄰近巷道容易發(fā)生較大的破壞變形。如果工作面頂板側(cè)向斷裂線位于采空區(qū)上方且離煤柱較遠(yuǎn)，如圖所示，則煤柱上方頂板形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁受力完全作用在煤柱上，煤柱塑性區(qū)范圍大，不利于鄰近巷道的穩(wěn)定。

圖1 線在煤柱或鄰近巷道上方

為了分散壓應(yīng)力，結(jié)合水力壓裂的裂縫擴(kuò)展規(guī)律，可采用水力壓裂技術(shù)在巷道走向在其上方切斷頂板，降低煤柱應(yīng)力集中及巷道變形程度[6]。

(2)致裂鉆孔布置

9#煤層與4#煤層的層間距約35m，且在9#煤層上方13～19m范圍內(nèi)存在不易垮斷砂巖層位，因此計(jì)劃在19110工作面輔運(yùn)煤柱一側(cè)與19109主運(yùn)巷煤柱一側(cè)進(jìn)行斷頂卸壓；另外，由于19110工作面輔運(yùn)順槽930m倒車硐室處至915m在施工過程中發(fā)生一次強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)，引起該范圍內(nèi)頂板大面積下沉，直接原因?yàn)橄锏浪毫咽┕ぶ信c順槽平行的鉆孔間距較小，壓裂后裂隙發(fā)育，巷道頂板自承能力降低，受超前支承壓力影響發(fā)生整體下沉。

為避免以上情況的再次發(fā)生，在19110輔運(yùn)巷道水力壓裂鉆孔布置在里程牌650～850m共計(jì)200m區(qū)域。鉆機(jī)穩(wěn)固在距離煤柱1m范圍，施工A孔、B孔兩種鉆孔，其中A孔沿巷道走向向煤柱側(cè)偏移10°打設(shè)，距離煤柱1m位置；B鉆孔沿巷道走向向煤柱側(cè)偏移35°打設(shè)，距離煤柱1m位置；兩種鉆孔仰角均為45°，鉆孔深度A孔為40m，B孔為45m。孔徑均為φ60mm，A孔孔距為20m，B孔孔距為10m，這樣做有以下兩個(gè)方面的考慮。

①為確保頂板安全，A孔壓裂留有足夠安全間距，考慮單孔壓裂的有效范圍為半徑5m以及本次現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)頂板彎曲下沉的15m范圍，考慮保證卸壓效果，排距確定為20m。

②為更好的保證壓裂頂板減少煤柱應(yīng)力，且不破壞現(xiàn)有巷道支護(hù)，確定B孔為主要壓裂孔，A孔為輔助壓裂孔。

19110輔運(yùn)巷道水壓致裂鉆孔共施工鉆孔30個(gè)，其中A孔10個(gè)，B孔20個(gè)，總施工量1300m。

3.現(xiàn)場(chǎng)工藝

(1)水力壓裂施工

水力壓裂施工工序如下：瓦斯檢查→管道及電纜檢查→按照方案鉆孔→封孔→水力壓裂→驗(yàn)收。鉆桿規(guī)格為長(zhǎng)度1.5m，直徑42mm，鉆頭直徑為60mm。

水力壓裂工藝如下：按照施工要求完成準(zhǔn)備工作后，利用鉆機(jī)在孔口處連接密封鉆桿，并送至鉆孔內(nèi)壓裂區(qū)域，密封鉆桿全部送到位后，采用手動(dòng)加壓泵加壓至12～20MPa，觀察鉆孔出水狀態(tài)及監(jiān)測(cè)壓力表示數(shù)，正常即可進(jìn)行正式加壓；正式作業(yè)時(shí)在40m范圍內(nèi)設(shè)置警戒區(qū)域，禁止人員通行直至作業(yè)結(jié)束；正式加壓時(shí)先通水再通電，控制高壓泵壓力緩慢增加，隨時(shí)記錄監(jiān)測(cè)壓力表示數(shù)，加壓至預(yù)裂縫開裂；壓裂結(jié)束后先打開泄壓閥再進(jìn)行管道等的拆除。

(2)安全措施

隨時(shí)監(jiān)測(cè)頂板及鉆孔出水情況，以及作業(yè)區(qū)域頂板、兩幫及支護(hù)情況，確保無危險(xiǎn)、無隱患，若出現(xiàn)錨索斷裂等情況時(shí)，協(xié)調(diào)停泵，停止作業(yè)；高壓泵由專業(yè)人員操作，作業(yè)時(shí)對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)和泵壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)問題及時(shí)停泵，待解決問題后方可繼續(xù)作業(yè)。

4.定向水力壓裂效果分析

(1)水力壓裂數(shù)據(jù)分析

19110輔運(yùn)順槽起裂最大壓力達(dá)28MPa（B10鉆孔），與山西長(zhǎng)治地區(qū)水力壓裂施工時(shí)有明顯差距（起裂壓力普遍在33MPa左右）。由于長(zhǎng)治地區(qū)頂板主要為K2石灰?guī)r和砂巖，與井工一礦頂板的粉砂巖、砂質(zhì)泥巖相比，頂板硬度相對(duì)較小，導(dǎo)致水力壓裂時(shí)的起裂壓力降低，這表明采用水力壓裂技術(shù)用來治理砂巖堅(jiān)硬頂板效果仍然較好。

(2)錨桿應(yīng)力數(shù)據(jù)分析

根據(jù)19110工作面推進(jìn)的情況，分別選取輔運(yùn)巷650～700m和600～650m范圍內(nèi)頂板檢測(cè)20根錨桿，選取巷道頂板實(shí)體煤側(cè)距幫1m的頂部錨桿10根，距幫2m的頂部錨桿10根，幫部選取離底板1.5m高度的錨桿10根，共計(jì)60根錨桿進(jìn)行載荷檢測(cè)。

距幫1m測(cè)線的頂部錨桿載荷可以反映工作面實(shí)體煤側(cè)超前應(yīng)力對(duì)巷道頂板支護(hù)的影響程度，壓裂段平均值為69.1kN，未壓裂段為82.67kN。從圖2（a）分析，壓裂段曲線起伏較大，部分錨桿載荷遠(yuǎn)低于平均值，而未壓裂段曲線平滑，說明水力壓裂施工對(duì)巖體的破壞是不均勻的，在超前應(yīng)力的作用下，其對(duì)巷道頂板的載荷有整體的降低，但也會(huì)造成應(yīng)力分布不均勻，局部出現(xiàn)載荷升高的情況。

如圖2（b），距幫2m測(cè)線已基本位于巷道中部，其受到煤柱側(cè)向懸頂和超前應(yīng)力的綜合影響，是巷道頂板載荷最大的部分，壓裂段平均值為81.1kN，未壓裂段為90.5kN。從曲線上看，壓裂段較未壓裂段有明顯的降低。

從圖2（c）可以看出，臨空煤柱上的錨桿主要是限制煤柱變形的作用，壓裂段平均值為27.11kN，未壓裂段為38.2kN。壓裂施工可以有效的提高臨空煤柱的穩(wěn)定性。

本次壓裂施工的巷道區(qū)段，頂錨桿的平均載荷有7%～15%的降幅，臨空幫部錨桿的平均載荷有28%的降幅。壓裂施工可以減小超前應(yīng)力和采空區(qū)側(cè)向懸頂對(duì)回采巷道的影響，有效的提高臨空煤柱的穩(wěn)定性，對(duì)巷道礦壓顯現(xiàn)有較好的改善效果。

5.結(jié)論

通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的方法，針對(duì)頂板水力壓裂后的效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)得出：

（1）19110輔運(yùn)巷壓裂區(qū)域不同深度的應(yīng)力曲線均表現(xiàn)出應(yīng)力穩(wěn)定的趨勢(shì)，未出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，未壓裂區(qū)域不同深度的應(yīng)力曲線在受到鄰面回采擾動(dòng)的影響時(shí)，應(yīng)力出現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)；壓裂區(qū)域內(nèi)頂板下沉速率明顯小于未壓裂區(qū)域頂板下沉速率，且未壓裂區(qū)域受超前壓力影響下沉速率尤為明顯。

（2）壓裂層位由粉砂巖→細(xì)粒砂巖→粉砂巖→砂質(zhì)泥巖變化，壓裂所需要的壓力強(qiáng)度也明顯降低，同時(shí)壓裂強(qiáng)度低的巖層所需要的時(shí)間也逐漸變小。

（3）壓裂區(qū)域頂錨桿的平均載荷有7%～15%的降幅，臨空幫部錨桿的平均載荷有28%的降幅。壓裂施工可以減小超前應(yīng)力和采空區(qū)側(cè)向懸頂對(duì)回采巷道的影響，有效的提高臨空煤柱的穩(wěn)定性，對(duì)巷道礦壓顯現(xiàn)有較好的改善效果。