孤島工作面長(zhǎng)水平深孔全長(zhǎng)水力壓裂卸壓機(jī)理及多參量效果分析

楊 旭 ，王 濤 ，李 明

（1.山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000；2.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；3.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013）

隨著我國(guó)煤炭資源開(kāi)采強(qiáng)度的不斷增大，不少礦井已經(jīng)走向深部開(kāi)采，深部開(kāi)采處于“三高一擾動(dòng)”的圍巖環(huán)境，對(duì)于巷道的維穩(wěn)十分不利[1-3]；同時(shí)為了避免采掘接替緊張、預(yù)防煤的自燃與瓦斯突出等災(zāi)害，在開(kāi)采歷史中多采用了跳采方式，留下了不少兩側(cè)甚至三側(cè)采空的孤島工作面。深井孤島工作面屬于典型的強(qiáng)動(dòng)壓高危工作面，在原巖應(yīng)力場(chǎng)、采空側(cè)向應(yīng)力場(chǎng)以及本工作面采動(dòng)超前集中應(yīng)力等綜合作用下，極易發(fā)生支護(hù)失效問(wèn)題，嚴(yán)重影響巷道圍巖控制效果；特別是在斷層等自然構(gòu)造區(qū)，強(qiáng)礦壓現(xiàn)象更加頻繁，主要表現(xiàn)在巷道掘進(jìn)支護(hù)后超前段塑性破壞區(qū)范圍急劇增大，呈現(xiàn)出全斷面來(lái)壓、全斷面強(qiáng)烈變形特征，嚴(yán)重制約著工作面安全和正常回采[4-8]。這種條件下若是基本頂垮落不及時(shí)造成大面積懸頂，極易造成采場(chǎng)和巷道的大面積來(lái)壓，惡化原本并不安全的圍巖環(huán)境。

壓裂卸壓是切斷懸頂、緩解工作面及巷道頂板強(qiáng)礦壓作用的常用手段。深孔壓裂技術(shù)由于其能處理煤層上覆高層位的目標(biāo)巖層，在煤礦中應(yīng)用廣泛，對(duì)調(diào)控礦山壓力顯現(xiàn)起重要的作用，目前我國(guó)煤礦常用的深孔壓裂手段主要是深孔爆破卸壓和水力壓裂，相對(duì)于爆破卸壓受制于國(guó)家火藥政策及保存、運(yùn)輸、使用過(guò)程存在較大風(fēng)險(xiǎn)，越來(lái)越多的礦井將水力壓裂作為主要的壓裂卸壓手段。

不少專家、學(xué)者對(duì)深孔水力壓裂技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行了研究。康紅普等[1,9-11]、吳擁政等[10]為了檢驗(yàn)定向水力壓裂控制煤礦堅(jiān)硬難垮頂板的效果，進(jìn)行了井下試驗(yàn)，深入分析煤礦堅(jiān)硬難垮頂板水力壓裂特點(diǎn)；趙善坤等[12-14]利用多種方法深入研究了深孔定向水力壓裂的卸壓防治類型、影響因素，揭示了其防沖機(jī)理，在現(xiàn)場(chǎng)得到有效驗(yàn)證；此外，不少學(xué)者[15-19]針對(duì)定向水力壓裂施工技術(shù)涉及的預(yù)制裂縫相關(guān)參數(shù)、擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行研究，取得了一定的成果，有效指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)施工，提高了壓裂效果。但由于單個(gè)卸壓孔形成的卸壓范圍較小，定向卸壓也只能完成對(duì)于頂板的局部卸壓；為實(shí)現(xiàn)理想的卸壓效果，孔間距就比較小，導(dǎo)致卸壓工程量大，主要存在鉆孔工程量大、卸壓范圍小的弊端，卸壓效果有限。

后來(lái)出現(xiàn)了井下長(zhǎng)水平孔區(qū)域壓裂卸壓的方法和技術(shù)手段，并在不少礦井進(jìn)行了成果應(yīng)用，由于其能夠通過(guò)區(qū)域壓裂，使完整性好的目標(biāo)巖層內(nèi)形成數(shù)量眾多、方位和長(zhǎng)度不一的網(wǎng)狀裂縫，大幅減弱巖層的整體強(qiáng)度，卸壓范圍相對(duì)較大，能起到弱化厚硬頂板、降低沖擊致災(zāi)隱患的作用[20-21]。但這種方法多應(yīng)用于堅(jiān)硬巖層起防沖減災(zāi)的作用；當(dāng)遇到孤島工作面這種條件以及軟巖巷道時(shí)則適用性有限，且這種方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域壓裂，但很難覆蓋巷道全長(zhǎng)范圍，難以達(dá)到配合支護(hù)后“一次支護(hù)，永不返修”的效果。

因此，從孤島工作面存在的典型懸頂類型開(kāi)展研究，提出了1 種基于長(zhǎng)水平孔的全長(zhǎng)水力壓裂方式，探討了其卸壓機(jī)理，并在某礦孤島工作面現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行施工應(yīng)用；同時(shí)建立了1 種多參量、分階段的卸壓效果評(píng)價(jià)方法，綜合多種監(jiān)測(cè)手段，對(duì)同一巷道卸壓過(guò)程中卸壓段與未卸壓段、卸壓完成后卸壓巷道與未卸壓巷道的典型參量進(jìn)行觀測(cè)分析，兼顧工程現(xiàn)場(chǎng)關(guān)注的采場(chǎng)和巷道的圍巖控制效果，更為真實(shí)全面地反映卸壓的效果；為孤島工作面下強(qiáng)礦壓巷道的水力壓裂卸壓技術(shù)方式與圍巖控制評(píng)價(jià)方法提供了思路與指導(dǎo)。

1 孤島工作面強(qiáng)礦壓巷道懸頂及卸壓機(jī)理

1.1 懸頂類型及危害

深井條件下的孤島工作面由于應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，屬于強(qiáng)動(dòng)壓的高危工作面，礦壓顯現(xiàn)程度強(qiáng)烈，若是基本頂垮落不及時(shí)造成大面積懸頂，會(huì)惡化采場(chǎng)和巷道的應(yīng)力環(huán)境，有發(fā)生沖擊地壓和暴風(fēng)的危險(xiǎn)，因此對(duì)于孤島工作面可能存在的懸頂類型進(jìn)行分析并采取相應(yīng)措施是必要的。總結(jié)來(lái)說(shuō)孤島工作面回采巷道上覆基本頂存在的懸頂類型主要有3 種，3 種懸頂類型如圖1。

圖1 孤島工作面回采巷道3 種懸頂類型Fig.1 Three types of overhanging roof in isolated working face mining roadway

1）工作面?zhèn)认虿煽諈^(qū)懸頂。這主要是由于歷史開(kāi)采過(guò)程中相鄰工作面雖已采空但間隔時(shí)間不長(zhǎng)，頂板巖層垮落不充分，仍存在穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，造成側(cè)向存在懸頂現(xiàn)象，這種懸頂類型在本工作面開(kāi)采過(guò)程中有隨時(shí)垮落的風(fēng)險(xiǎn)。

2）工作面后方采空區(qū)懸頂。這主要由于孤島工作面端頭和中部的低位基本頂并未隨采及時(shí)垮落，產(chǎn)生懸頂壓力并傳遞至兩巷頂板巖層，若形成大范圍的懸頂，會(huì)對(duì)上覆高位巖層的垮落造成障礙。

3）工作面上部高位巖層結(jié)構(gòu)的懸頂。由于孤島工作面的開(kāi)采空間上方存在大范圍、高載荷的巖體，若是低位的基本頂垮落不及時(shí)，采空區(qū)無(wú)法給上部高位頂板提供足夠支撐，會(huì)增大高位巖層的懸頂范圍與面積，存在高位巖層頂板連帶低位頂板大范圍垮落可能。

這3 種懸頂現(xiàn)象均會(huì)對(duì)孤島工作面采場(chǎng)和巷道的安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，對(duì)于孤島工作面回采巷道來(lái)說(shuō)，由于已處于兩側(cè)甚至三側(cè)采空，開(kāi)采過(guò)程中回采巷道受到的動(dòng)壓本就明顯，存在支護(hù)體結(jié)構(gòu)失效、圍巖破碎嚴(yán)重的現(xiàn)象，若存在上述3種類型的大面積懸頂，則會(huì)讓變形嚴(yán)重的巷道圍巖維護(hù)更加困難。

1.2 深孔壓裂類型及長(zhǎng)水平孔壓裂機(jī)理

1.2.1 深孔壓裂類型按壓裂方式劃分

進(jìn)行深孔壓裂卸壓的主要目的是處理煤層上方對(duì)礦山壓力顯現(xiàn)起關(guān)鍵作用、但難以垮斷的厚硬頂板，避免其造成大范圍懸頂。目前我國(guó)煤礦應(yīng)用最多的深孔壓裂卸壓方式，主要為爆破卸壓和水力壓裂卸壓2 種。這2 種方式均是以破壞頂板完整性、減少其彈性能積聚程度為目的，通過(guò)人為可控的不同手段在頂板巖層中制造裂隙缺陷，并最終利用礦山壓力促使頂板按照預(yù)想位置有序破斷，進(jìn)而減少工作面的礦壓顯現(xiàn)程度，并實(shí)現(xiàn)沖擊地壓的防控。深孔爆破卸壓主要是借助裝藥爆破的沖擊作用，破壞基本頂?shù)耐暾裕沟帽字車a(chǎn)生裂隙和破碎區(qū)，相鄰爆孔裂隙貫通或破碎區(qū)相連，在礦山壓力的作用下切斷頂板，但這種壓裂方式存在較大的不確定性，火藥政策和運(yùn)輸保存等多因素也使其在井工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施起來(lái)也存在較大風(fēng)險(xiǎn)。相比之下，深孔定向水力壓裂能克服以上缺陷，通過(guò)在目標(biāo)的堅(jiān)硬巖層中預(yù)制人為可控的初始裂隙，利用高壓泵向孔內(nèi)持續(xù)輸入高流量的水，致使初始裂紋在預(yù)裂巖層內(nèi)沿預(yù)定方向起裂擴(kuò)展直至裂紋發(fā)育完全，最終切斷頂板。

1.2.2 深孔壓裂類型按壓裂目標(biāo)劃分

文獻(xiàn)[8]曾對(duì)頂板深孔定向壓裂技術(shù)對(duì)頂板的切斷作用和防沖類型進(jìn)行了總結(jié)，深孔定向壓裂切頂類型如圖2。

圖2 深孔定向壓裂切頂類型Fig.2 Types of deep hole directional cutting roof pressure relief

深孔定向壓裂切頂具體可分為3 種類型：①切斷側(cè)向采空區(qū)和煤柱上方頂板，防治煤柱型沖擊地壓；②切斷工作面超前采動(dòng)應(yīng)力范圍內(nèi)的頂板，防治工作面沖擊頂板預(yù)裂；③初采安裝支架前以及末采從回撤通道向工作面進(jìn)行預(yù)裂切斷頂板，防治初末采期間的工作面沖擊地壓。

1.2.3 基于長(zhǎng)水平孔的深孔全長(zhǎng)水力壓裂

頂板深孔的定向水壓致裂對(duì)于頂板原生裂隙發(fā)育或者頂板受超前采動(dòng)影響嚴(yán)重，內(nèi)部裂隙擴(kuò)展發(fā)育時(shí)，適用性受到一定制約。這種水力壓裂方法同樣存在鉆孔工程量大、卸壓范圍小的弊端，只能完成對(duì)于頂板的局部卸壓，對(duì)于大范圍高位堅(jiān)硬頂板則難以處理，尤其是遇到孤島工作面這種應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜、采場(chǎng)與巷道幾乎全范圍處于高應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)用起來(lái)有較大的局限性。深孔長(zhǎng)水平孔壓裂技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于頂板大范圍地進(jìn)行區(qū)域弱化，從而將完整而較堅(jiān)硬的頂板巖層分割成多層，達(dá)到聯(lián)通裂隙和有序垮落的目的，保證工作面和巷道頂板按照設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行切落。基于長(zhǎng)水平孔的條帶區(qū)域壓裂卸壓原理如圖3。

圖3 基于長(zhǎng)水平孔的條帶區(qū)域壓裂卸壓原理Fig.3 Pressure relief principle of long horizontal holes in strip zone

通過(guò)優(yōu)化長(zhǎng)水平孔鉆場(chǎng)和鉆孔的布置方式，可以在堅(jiān)硬頂板構(gòu)筑起覆蓋全長(zhǎng)的條帶，弱化范圍不僅可以改善本工作面端頭和采空區(qū)上方頂板的空間結(jié)構(gòu)形態(tài)，而且可以調(diào)整相鄰工作面采空區(qū)內(nèi)處于暫時(shí)穩(wěn)定的覆巖空間結(jié)構(gòu)形態(tài)，降低兩側(cè)采空區(qū)頂板巖層向工作面端頭巷道傳遞應(yīng)力的等級(jí)，起到調(diào)控巷道應(yīng)力等級(jí)的目的。

2 孤島工作面長(zhǎng)水平深孔區(qū)域壓裂卸壓工程實(shí)踐

山西某礦3203 工作面為典型孤島工作面，兩側(cè)分別為3201 和3205 工作面采空區(qū)，巷道布置情況如圖4。

圖4 3203 孤島面巷道布置Fig.4 Roadways layout of 3203 isolated working face

按照以往的回采經(jīng)驗(yàn)，3203 工作面回采期間受相鄰工作面和本工作面回采產(chǎn)生的雙向超前支承應(yīng)力疊加影響，導(dǎo)致工作面巷道受到的應(yīng)力集中系數(shù)很高，由于強(qiáng)采動(dòng)影響，3203 回采巷道在掘進(jìn)過(guò)程中圍巖壓力大，巷道變形嚴(yán)重，有大量錨桿和錨索破斷的現(xiàn)象。在開(kāi)采過(guò)程中，工作面超前段塑性破壞區(qū)范圍急劇增大，巷道呈現(xiàn)出全斷面來(lái)壓、全斷面強(qiáng)烈變形特征，嚴(yán)重制約著工作面安全和正常回采。

為實(shí)現(xiàn)工作面的安全高效開(kāi)采，設(shè)計(jì)對(duì)工作面上部堅(jiān)硬頂板進(jìn)行井下長(zhǎng)水平孔壓裂，切斷堅(jiān)硬頂板的側(cè)向懸頂，使工作面巷道實(shí)現(xiàn)有效卸壓。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力環(huán)境實(shí)測(cè)

為了更好地探測(cè)深部頂板巖層的強(qiáng)度及完整度，為深孔長(zhǎng)水平水力壓裂的層位選擇提供指導(dǎo)，采用鉆孔觸探法在3203 孤島工作面周邊及同采區(qū)區(qū)域選擇6 個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行圍巖結(jié)構(gòu)體觀測(cè)與原位強(qiáng)度測(cè)試，其中頂板測(cè)試深度為50 m。

頂板強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果具體為：①頂板0～2.8 m為黑色泥巖，強(qiáng)度平均值為20.16 MPa；②2.8～7.6 m 為泥質(zhì)粉砂巖，強(qiáng)度平均值為42.59 MPa；③7.6～14.8 m 為砂巖，強(qiáng)度平均值為68.82 MPa；④14.8～16.63 m 為泥質(zhì)粉砂巖，強(qiáng)度平均值為41.23 MPa；⑤16.3～31.6 m 為砂巖，強(qiáng)度平均值為67.16 MPa；⑥31.6～38.4 m 為砂質(zhì)泥巖，強(qiáng)度平均值為48.33 MPa；⑦38.4～47.2 m為泥質(zhì)砂巖，強(qiáng)度平均值為55.85 MPa；⑧47.2～50 m為泥巖，強(qiáng)度平均值為31.84 MPa。

試驗(yàn)過(guò)程中采用礦用電子鉆孔窺視儀對(duì)6 組鉆孔的幫、頂煤體圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。結(jié)果顯示巖層分布與強(qiáng)度測(cè)試揭示的結(jié)果基本一致，但不同位置巖層的破碎程度有明顯區(qū)別，如靠近側(cè)向采空區(qū)，16～25 m 范圍的中砂巖基本頂破碎程度高，裂隙發(fā)育；在靠近工作面區(qū)域，頂板的完整度整體較好，裂隙發(fā)育程度遠(yuǎn)不如采空區(qū)側(cè)。對(duì)于幫部煤體，0～1.4 m 范圍穩(wěn)定性較高，1.4～～4 m 范圍煤體松軟完整度差，4 m 后塌孔現(xiàn)象普遍。

經(jīng)地應(yīng)力測(cè)試，3 號(hào)煤層所測(cè)區(qū)域最大水平主應(yīng)力最值為20.90 MPa，垂直應(yīng)力最大值為18.46 MPa，地應(yīng)力場(chǎng)最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹NW方向。相關(guān)研究表明，最大水平主應(yīng)力對(duì)巷道的頂?shù)装逵绊懽饔么笥趯?duì)巷道兩幫的影響。

2.2 長(zhǎng)水平孔大規(guī)模壓裂設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工

3203 孤島工作面的壓裂工作分為2 部分，分別為運(yùn)輸巷的全長(zhǎng)壓裂及回風(fēng)巷的區(qū)域壓裂，壓裂設(shè)計(jì)布置圖如圖5，定向鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 3203 孤島工作面巷道頂板設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)鉆孔參數(shù)Table 1 Parameters of long borehole for roof design of 3203 isolated island face

圖5 3203 孤島工作面水力壓裂鉆孔及微震監(jiān)測(cè)布置平面Fig.5 Hydraulic fracturing drilling and microseismic monitoring layout plan of 3203 isolated island face

在層位選定時(shí)，結(jié)合圍巖原位強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果及圍巖結(jié)構(gòu)體窺視的結(jié)果，并針對(duì)上述的3 種懸頂類型進(jìn)行綜合確定：①考慮工作面?zhèn)认虿煽諈^(qū)懸頂：由強(qiáng)度測(cè)試可知16.3～31.6 m 為砂巖強(qiáng)度較高但窺視結(jié)果表明25 m 之下的砂巖基本頂破碎程度高，25～3.6 m 范圍內(nèi)的砂巖交互層巖層較為完整，故確定30 m 作為采空區(qū)側(cè)壓裂層位；②考慮本工作面后方采空區(qū)懸頂：工作面端頭處25 m 之下的砂巖基本頂完整程度高，這樣壓力會(huì)傳至巷道，故確定頂板20 m 處作為壓裂層位以切斷工作面懸頂應(yīng)力傳遞；③考慮工作面上部高位結(jié)構(gòu)：懸頂存在大范圍垮落可能，而頂板38.4～47.2 m 存在平均強(qiáng)度約56 MPa 的泥質(zhì)砂巖，故確定工作面頂板40 m 作為壓裂層位布置高位壓裂鉆孔。

最終確定運(yùn)輸巷施工計(jì)劃2 個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)施工單向3 個(gè)鉆孔、雙向6 個(gè)鉆孔，全長(zhǎng)范圍內(nèi)合計(jì)12 個(gè)鉆孔，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸巷道的全長(zhǎng)處理。其中鉆場(chǎng)1 位于運(yùn)輸巷道距工作面巷道開(kāi)口1 700 m附近（距工作面切眼約330 m），在煤柱側(cè)開(kāi)掘，尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為8.0 m×5.0 m×3.5 m。共設(shè)置單向3 個(gè)鉆孔、雙向6 個(gè)鉆孔，朝向工作面切眼方向布置1 號(hào)鉆孔、2 號(hào)鉆孔和3 號(hào)鉆孔，朝向工作面終采線方向布置4 號(hào)鉆孔、5 號(hào)鉆孔和6 號(hào)鉆孔。鉆場(chǎng)2 位于運(yùn)輸巷道距工作面巷道開(kāi)口700 m 附近（距工作面切眼約1 330 m）在煤柱側(cè)開(kāi)掘，尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為8.0 m×5.0 m×3.5 m。共施工單向3個(gè)鉆孔、雙向6 個(gè)鉆孔，朝向工作面切眼方向布置7 號(hào)鉆孔、8 號(hào)鉆孔和9 號(hào)鉆孔，朝向工作面終采線方向布置布置10 號(hào)鉆孔、11 號(hào)鉆孔和12 號(hào)鉆孔。

3203 工作面回風(fēng)巷布置1 個(gè)鉆場(chǎng)，采取施工單向3 個(gè)鉆孔，朝向工作面終采線方向布置1 號(hào)鉆孔、2 鉆孔和3 號(hào)鉆孔。鉆場(chǎng)位于回風(fēng)巷道距工作面巷道開(kāi)口630 m 附近，鉆場(chǎng)在煤柱側(cè)開(kāi)掘，鉆場(chǎng)尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為8.5 m×4.5 m×3.5 m。

在施工過(guò)程中，由于3203 工作面頂板存在多個(gè)擠壓帶，并處于煤層層位異常變動(dòng)區(qū)域，自運(yùn)輸巷1#鉆場(chǎng)至切眼位置煤層底板等高線由581.1 m爬升至623.7 m，自然爬升42.6 m。3 號(hào)煤層頂板賦存有多處煤線和破碎帶，加之是孤島工作面，經(jīng)歷2 次采動(dòng)影響，頂板與采空區(qū)導(dǎo)通裂隙較多，施工初期頂板異常狀況較多。結(jié)合嚴(yán)格的施工流程管理，通過(guò)1 號(hào)、2 號(hào)和3 號(hào)鉆孔的鉆進(jìn)試驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)了孤島工作面復(fù)雜困難地質(zhì)條件下的定向鉆孔施工，具體鉆孔施工情況見(jiàn)表2。

表2 3203 孤島工作面巷道頂板施工走向長(zhǎng)鉆孔參數(shù)Table 2 Long borehole parameters of roadway roof construction in 3203 isolated working face

3 長(zhǎng)水平壓裂多參量效果檢驗(yàn)參數(shù)和方法

選取的采場(chǎng)礦壓評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括工作面周期來(lái)壓情況、來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)、支架工況、采場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)分布、覆巖破斷情況和頂板下沉量及采高；選取的巷道礦壓評(píng)價(jià)指標(biāo)包括于圍巖完整度、圍巖變形量和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況，效果檢驗(yàn)指標(biāo)選取及數(shù)據(jù)來(lái)源如圖6。

圖6 效果檢驗(yàn)指標(biāo)選取及數(shù)據(jù)來(lái)源Fig.6 Effectiveness test indexes selection and data sources

根據(jù)卸壓工程的推進(jìn)，進(jìn)行綜合對(duì)比評(píng)價(jià)：①在同一巷道卸壓過(guò)程中利用卸壓段與未卸壓段進(jìn)行對(duì)比；②全長(zhǎng)卸壓完成后利用卸壓巷道與未卸壓巷道進(jìn)行對(duì)比。這種分階段評(píng)價(jià)方法一方面能夠做到從不同尺度內(nèi)評(píng)價(jià)分段卸壓和全長(zhǎng)卸壓的效果優(yōu)劣，另一方面能在卸壓過(guò)程中不斷評(píng)價(jià)更新，優(yōu)化卸壓布置方式，取得更好卸壓效果。

4 區(qū)域卸壓效果

4.1 采場(chǎng)礦壓變化

4.1.1 卸壓過(guò)程中壓裂段與未壓裂段對(duì)比

在3203 回風(fēng)巷壓裂前后共統(tǒng)計(jì)分析周期來(lái)壓42 次，其中壓裂前30 次，壓裂后12 次。卸壓前后周期來(lái)壓情況和卸壓前后支架阻力變化情況如圖7 和圖8。

圖7 卸壓前后周期來(lái)壓情況Fig.7 Pressure change after pressure before relieving pressure

圖8 卸壓前后支架阻力變化情況Fig.8 Support resistance change before and after relieving pressure

由圖7（a）可知：工作面周期來(lái)壓呈現(xiàn)“大小周期，周期性強(qiáng)動(dòng)載來(lái)壓”的特征，大周期來(lái)壓步距15～25 m，小周期來(lái)壓步距7～10 m；壓裂前（即未壓裂段）的平均周期來(lái)壓步距為12.26 m，壓裂后（即壓裂段）的平均周期來(lái)壓步距為9.48 m。長(zhǎng)水平孔壓裂極大縮短工作面周期來(lái)壓步距。由圖7（b）可知：壓裂前，來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)區(qū)間為1.7～3.2，平均動(dòng)載系數(shù)為2.03；而壓裂后，來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)區(qū)間為1.5～2.5，平均動(dòng)載系數(shù)為1.85。

由圖8（a）可以看出：中部支架和靠近回風(fēng)巷區(qū)域的支架平均工作阻力顯著降低，降低幅度為4～8 MPa。由圖8（b）可以得出：壓裂后工作面液壓支架高工作阻力所占比例明顯降低，其中工作阻力大于35 MPa 的比例由27.28%降至16.09%，與此同時(shí)，支架壓力低值（0～15 MPa）所占比例升高，壓裂有效弱化頂板，使得懸頂距離減小。

4.1.2 卸壓完成后卸壓巷道與未卸壓巷道對(duì)比

3203 工作面運(yùn)輸巷壓裂后，對(duì)周期來(lái)壓情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，共選取50 次周期來(lái)壓，將工作面分為3 個(gè)區(qū)域：①0～24 號(hào)支架區(qū)域?yàn)楣ぷ髅婵拷\(yùn)輸巷區(qū)域；②34～64 為工作面中部區(qū)域；③74～94 為工作面靠近回風(fēng)巷區(qū)域。工作面分區(qū)來(lái)壓情況如圖9。

圖9 全長(zhǎng)壓裂后周期來(lái)壓情況Fig.9 Periodic weighting after full-length fracturing

由圖9（a）可知：運(yùn)輸巷頂板經(jīng)過(guò)區(qū)域壓裂后，周期來(lái)壓頻次較高，基本頂斷裂及時(shí)；而靠近回風(fēng)巷區(qū)域（未壓裂）頂板來(lái)壓頻次較低，基本頂懸頂長(zhǎng)度較大。由圖9（b）可知：工作面中部區(qū)域頂板來(lái)壓43 次，占全部來(lái)壓的53%，靠近運(yùn)輸巷上覆基本頂巖層由于壓裂作用，發(fā)生周期來(lái)壓24 次，占比30%；相比之下，回風(fēng)巷頂板來(lái)壓11 次，占比17%，頂板垮落較慢。由圖9（c）可知：工作面靠近運(yùn)輸巷側(cè)（壓裂）區(qū)域來(lái)壓平均動(dòng)載系數(shù)1.78，3203 工作面中部區(qū)域?yàn)?.87，而工作面靠近3203 回風(fēng)巷側(cè)（未壓裂）區(qū)域?yàn)?.13，動(dòng)載系數(shù)呈現(xiàn)工作面方向由運(yùn)輸巷向回風(fēng)巷（壓裂區(qū)域向未壓裂區(qū)域）逐漸增大的規(guī)律，說(shuō)明區(qū)域壓裂能夠有效弱化頂板并起到切頂?shù)淖饔茫魅鮿?dòng)載載荷。

選取靠近運(yùn)輸巷的4 號(hào)與14 號(hào)支架與靠近回風(fēng)巷的84 號(hào)與94 號(hào)支架的工作阻力進(jìn)行對(duì)比分析，運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷區(qū)域支架阻力分布情況如圖10。

4 號(hào)支架的阻力均小于25 MPa，其中阻力分布于0～15 MPa 區(qū)間內(nèi)的占比將近85%，支架工作阻力較小；14 號(hào)支架工作阻力分布于10～15 MPa區(qū)間的最多，超過(guò)30%，且工作阻力處于低值的情況較多。

相比之下，84 號(hào)和94 號(hào)支架靠近工作面回風(fēng)巷側(cè)，可以明顯發(fā)現(xiàn)高工作阻力分布占比明顯升高，其中84 號(hào)支架工況顯示工作阻力位于20～25 MPa 區(qū)間占比最高，接近40%；低工作阻力分布比例較少，50 MPa 以上高工作阻力分布顯著增多；94 號(hào)支架表現(xiàn)為各個(gè)工作阻力區(qū)間分布較為均勻，高阻力分布比例較高。

由此分析可知，靠近運(yùn)輸巷側(cè)頂板區(qū)域由于壓裂作用對(duì)上覆巖層進(jìn)行了條帶弱化后，改善了支架工況，顯著降低了支架工作壓力。

4.2 巷道圍巖穩(wěn)定性變化

4.2.1 卸壓過(guò)程中壓裂段與未壓裂段對(duì)比

選取3203 運(yùn)輸巷壓裂1#鉆場(chǎng)壓裂過(guò)程中典型測(cè)點(diǎn)的離層量進(jìn)行分析，卸壓過(guò)程中頂板離層量對(duì)比如圖11 和圖12。

圖11 距巷口700 m 測(cè)點(diǎn)壓裂前后頂板下沉量Fig.11 Roof subsidence before and after fracturing measured at 700 m from roadway entrance

圖12 距巷口600 m 測(cè)點(diǎn)壓裂前后頂板下沉量Fig.12 Roof subsidence before and after fracturing measured at 600 m from roadway entrance

壓裂前頂板離層量增幅較大且劇烈，在壓裂后隨著工作面推進(jìn)頂板離層量增加，但比較緩和。表明水力壓裂孔的施工削弱了上覆堅(jiān)硬頂板的應(yīng)力傳遞通道，有效地弱化了巷道圍巖的應(yīng)力集中程度，減緩了頂板離層量的發(fā)育，弱化了巷道變形程度，繼而避免了頂板突然離層垮斷所造成的動(dòng)載礦壓顯現(xiàn)。

4.2.2 卸壓完成后卸壓巷道與未卸壓巷道對(duì)比

在3203 工作面運(yùn)輸巷進(jìn)行定向長(zhǎng)水平孔大規(guī)模壓裂后，對(duì)壓裂實(shí)施后3203 工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷圍巖變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，巷道圍巖變形量對(duì)比分析直方圖如圖13。

圖13 巷道圍巖變形量對(duì)比分析直方圖Fig.13 Diagrams of tunnel surrounding rock deformation comparative analysis

對(duì)900～1 500 m 之間的巷道圍巖變形測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明壓裂后相同回采測(cè)點(diǎn)處3203 運(yùn)輸巷與3203 回風(fēng)巷相比兩幫移近量降低了13.7%～38.46%，平均降低了27.63%；頂板下沉量降低了8.7%～40%，平均降低了26.75%；底鼓量降低了10%～60%，平均降低了36.19%；斷面收縮變形量整體平均降低了30.19%。

4.3 微震監(jiān)測(cè)結(jié)果

3203 工作面于7 月布設(shè)微震設(shè)備對(duì)覆巖破斷情況和能量事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，此時(shí)正為回風(fēng)巷鉆場(chǎng)水力壓裂施工的中后期，對(duì)微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖14～圖17。

圖14 微震事件分布圖Fig.14 Distribution of microseismic events

由圖14 可知：壓裂前45 d，發(fā)生微震事件次2 263 次，微震事件發(fā)生頻次多；范圍在超前工作面300 m 至后方600 m，微震發(fā)生范圍廣；與工作面相鄰的工作面與采空區(qū)微震事件頻發(fā)。頂板懸空距離長(zhǎng)，采空區(qū)頂板滯后工作面持續(xù)活動(dòng)明顯；而壓裂后45 d，發(fā)生微震事件次569 次；范圍在工作面前120 m 至后方300 m，顯著減少。

由圖15 可知：壓裂前工作面頂板積聚彈性能量大，范圍跨度廣，形成了較長(zhǎng)懸頂；而壓裂后工作面頂板能量高集中區(qū)域小，頂板能夠順利垮落。

圖15 微震事件累計(jì)能量變化Fig.15 Accumulated energy change of microseismic events

由圖16 可知：在壓裂前，微震能量事件活動(dòng)顯著，頻次多，能量大；而壓裂后，微震事件顯著減少。

圖16 微震事件能量和頻次變化Fig.16 Energy and frequency changes of microseismic events

由圖17 可知：壓裂前，微震事件發(fā)生在頂板0～20 m 層位分布最多，占頂板微震事件的62%，聚集分布層位對(duì)應(yīng)于頂板的下位細(xì)砂巖基本頂；而壓裂后微震事件發(fā)生頂板更高位巖層20 m 及以上分布最多，約占頂板事件的68%。區(qū)域水力壓裂能夠有效起到切頂卸壓的作用，使得工作面上位臨近的基本頂順利垮落。

圖17 微震事件發(fā)生層位變化Fig.17 Occurrence horizon change of microseismic events

5 結(jié) 語(yǔ)

1）分析了孤島工作面回采巷道在復(fù)雜應(yīng)力條件下存在的工作面?zhèn)认虿煽諈^(qū)頂板懸頂、工作面采空區(qū)側(cè)頂板懸頂以及上部高位巖層結(jié)構(gòu)懸頂3種類型。切斷懸頂常見(jiàn)的深孔壓裂手段有爆破卸壓和水力壓裂卸壓2 種。壓裂原理和切斷頂板類型進(jìn)行總結(jié)，提出了基于長(zhǎng)水平孔的全長(zhǎng)水力壓裂方式，能夠通過(guò)優(yōu)化長(zhǎng)水平孔鉆場(chǎng)和鉆孔的布置方式，可以在堅(jiān)硬頂板構(gòu)筑起覆蓋全長(zhǎng)的條帶弱化帶，實(shí)現(xiàn)對(duì)于頂板大范圍地進(jìn)行區(qū)域弱化。

2）在某礦3203 孤島工作面進(jìn)行巷道頂板全長(zhǎng)卸壓的應(yīng)用。通過(guò)在運(yùn)輸巷布置2 個(gè)鉆場(chǎng)，在每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)在預(yù)設(shè)的3 個(gè)層位內(nèi)分別施工長(zhǎng)水平單向鉆孔及雙向鉆孔，實(shí)現(xiàn)了同一區(qū)域巷道頂板不同層位內(nèi)長(zhǎng)水平孔卸壓效果的“并聯(lián)”以及全長(zhǎng)巷道內(nèi)不同區(qū)域長(zhǎng)水孔區(qū)域卸壓效果的“串聯(lián)”，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)于孤島工作面強(qiáng)動(dòng)壓巷道卸壓的全長(zhǎng)處理。

3）采用多種手段分別監(jiān)測(cè)孤島工作面采場(chǎng)及巷道的礦壓及圍巖變形情況；通過(guò)從采場(chǎng)和巷道2 方面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中分別選取多種參量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)卸壓效果做出綜合評(píng)價(jià)。提出了分階段的壓裂效果檢驗(yàn)方法：即根據(jù)卸壓工程的推進(jìn)度，在同一巷道卸壓過(guò)程中利用卸壓段與未卸壓段進(jìn)行對(duì)比；卸壓完成后利用卸壓巷道與未卸壓巷道進(jìn)行對(duì)比。

4）結(jié)合多種監(jiān)測(cè)手段，通過(guò)多參量、分階段的分析，可以發(fā)現(xiàn)：通過(guò)對(duì)孤島工作面上覆巖層堅(jiān)硬的關(guān)鍵層位進(jìn)行長(zhǎng)水平孔分段注水壓裂，能在堅(jiān)硬頂板構(gòu)筑弱化條帶，達(dá)到改善本工作面端頭和采空區(qū)上方頂板的空間結(jié)構(gòu)形態(tài)，縮短工作面周期來(lái)壓步距，降低工作面超前支承應(yīng)力的峰

值的作用，從時(shí)間和空間上優(yōu)化工作面超前區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的分布狀態(tài)，轉(zhuǎn)移煤柱與巷道圍巖的高應(yīng)力，減小采動(dòng)應(yīng)力的影響，顯著降低回采期間的巷道變形量，實(shí)現(xiàn)孤島工作面的安全高效回采。