劉愛(ài)卿

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；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)

在近距離高瓦斯煤層開(kāi)采過(guò)程中，通常采用布置底抽巷或高抽巷的方法解決瓦斯超限問(wèn)題，然而近距煤層巷道易受工作面采動(dòng)影響，巷道圍巖控制難度非常大。一般通過(guò)提高支護(hù)強(qiáng)度的方式進(jìn)行控制，但“硬抗”并不能從根本上減小或轉(zhuǎn)移聚集在巷道圍巖中的應(yīng)力，解決該問(wèn)題的關(guān)鍵應(yīng)該是“轉(zhuǎn)移應(yīng)力”，通過(guò)采用人工干預(yù)的方式，破壞或改變超前支承壓力的傳遞路徑，轉(zhuǎn)移應(yīng)力。

目前人工干預(yù)主要方式主要有爆破卸壓、水力壓裂卸壓、密集鉆孔卸壓、氣相壓裂卸壓等方法。康紅普等研究了堅(jiān)硬頂板綜采工作面水力壓裂卸壓后煤體內(nèi)的應(yīng)力演化規(guī)律[1]。何滿潮等對(duì)無(wú)煤柱自成巷切縫前后工作面和巷道礦壓分布規(guī)律和演變機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)研究[2]。吳擁政等提出一種控制堅(jiān)硬厚頂板煤柱留巷的定向水力壓裂留巷卸壓技術(shù)，轉(zhuǎn)移護(hù)巷煤柱上的高采動(dòng)應(yīng)力，并提出了定向水力壓裂煤柱留巷卸壓機(jī)理[3]。于斌等針對(duì)塔山煤礦臨空巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈的問(wèn)題，進(jìn)行水力壓裂弱化煤層上覆堅(jiān)硬老頂?shù)默F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，深入分析了水力壓裂弱化堅(jiān)硬老頂?shù)奶攸c(diǎn)[4]。劉紅崗等利用數(shù)值模擬方法研究了鉆孔卸壓的作用機(jī)理、巷道圍巖動(dòng)態(tài)損傷破壞發(fā)展和應(yīng)力場(chǎng)重新分布的過(guò)程[5]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)切頂卸壓后的沿空留巷、強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道、工作面初放等進(jìn)行了大量的研究[6-13]，然而上述的研究多集中于單一煤層，而對(duì)于近距離上部煤層開(kāi)采后下部煤層巷道圍巖應(yīng)力變化和控制技術(shù)研究較少，基于此，擬以水力壓裂切頂卸壓為基礎(chǔ)和突破點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)例研究近距離煤層水力壓裂卸壓護(hù)巷技術(shù)。

1 工程概況

圖1 圍巖柱狀圖

杜兒坪礦68306工作面位于8#煤，底抽巷位于9#煤，工作面平均埋深470m。8#煤和9#煤夾層為細(xì)砂巖，夾層厚度為1.43m，圍巖綜合柱狀圖如圖1所示，8#煤頂板上方有多層灰?guī)r，灰?guī)r堅(jiān)硬穩(wěn)定，原位測(cè)試抗壓強(qiáng)度平均值117.62MPa，工作面回采后，懸頂面積大，導(dǎo)致在側(cè)向煤體中應(yīng)力集中，同采區(qū)相鄰的68308工作面回采完畢后，68309底抽巷頂?shù)装甯叨扔?.0m縮小為1.5m，巷道通過(guò)架棚、補(bǔ)打錨索后仍不能夠滿足二次使用，嚴(yán)重影響了工作面瓦斯的正常抽采，68306工作面同底抽巷相對(duì)位置如圖2所示，為了避免68306底抽巷出現(xiàn)類似68308底抽巷大變形影響瓦斯抽采的問(wèn)題，需要對(duì)工作面回采期間的頂板進(jìn)行預(yù)處理。

圖2 68306回風(fēng)巷同底抽巷相對(duì)位置關(guān)系示意圖

2 上部煤層開(kāi)采對(duì)近距離煤層底抽巷影響分析

工作面回采過(guò)程中，隨著頂板暴露面積增加，工作面后方采空區(qū)頂板巖層將發(fā)生冒落，采空區(qū)冒落矸石及上覆巖層通?？蓜澐譃槿龓?，即：冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。煤層開(kāi)采后拆除支護(hù)或者液壓支架前移，形成采空區(qū)，則頂板冒落，形成垮落帶；上部巖層因?yàn)橄虏靠迓鋷С霈F(xiàn)裂隙，再向上就是彎曲下沉帶，有時(shí)候采空區(qū)距地表較近的時(shí)候，彎曲下沉地表很明顯，甚至地表也屬于裂隙帶[13，14]。

圖3 工作面端頭懸頂應(yīng)力集中效應(yīng)

當(dāng)煤層頂板中存在堅(jiān)硬、完整厚巖層時(shí)，如頂板為堅(jiān)硬的石灰?guī)r頂板時(shí)，頂板的冒落時(shí)間會(huì)延遲。堅(jiān)硬厚頂板易形成較長(zhǎng)時(shí)間跨度的懸頂效應(yīng)，如圖3所示。回風(fēng)巷上部堅(jiān)硬頂板，堅(jiān)硬的石灰?guī)r頂板在工作面懸頂面積大，造成煤柱應(yīng)力集中，應(yīng)力集中曲線如圖3中曲線1所示，在煤柱高應(yīng)力集中下，致使留巷長(zhǎng)期無(wú)法穩(wěn)定。若頂板巖層延遲冒落時(shí)間達(dá)到幾個(gè)月以上時(shí)，從工作面采動(dòng)影響分析角度看，認(rèn)為是永久性的懸頂結(jié)構(gòu)，采空區(qū)的懸頂導(dǎo)致側(cè)向煤體的應(yīng)力集中，8#煤和9#煤屬于近距離煤層，層間距僅為1.43m，底抽巷同68306工作面采空區(qū)的凈煤柱寬度僅為10m，上部煤層中的應(yīng)力集中表現(xiàn)為下部底抽巷的礦壓顯現(xiàn)。如何通過(guò)人工干預(yù)方式破壞懸頂結(jié)構(gòu)，使之更為充分的垮落至關(guān)重要。通過(guò)采用人工干預(yù)方式對(duì)頂板進(jìn)行處理，降低由于懸頂結(jié)構(gòu)作用在煤柱上的應(yīng)力，應(yīng)力集中曲線如圖3中曲線2所示，煤柱上的應(yīng)力狀態(tài)由曲線1改變?yōu)榍€2，大大降低煤柱應(yīng)力集中程度，從而改善近距離煤層下部巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。

對(duì)于68306工作面而言，當(dāng)工作面開(kāi)采后，造成煤柱應(yīng)力集中的一個(gè)主要原因就是靠近煤柱側(cè)上覆灰?guī)r頂板垮落不及時(shí)、不充分，懸頂效應(yīng)造成煤柱應(yīng)力集中，灰?guī)r、砂巖一般狀況下強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好，在工作面開(kāi)采后在冒落矸石充填支撐及煤柱的支撐下，難以垮落，懸頂效應(yīng)導(dǎo)致臨近巷道礦壓顯現(xiàn)，因此需要重點(diǎn)對(duì)上述巖層進(jìn)行處理。

根據(jù)礦井地質(zhì)資料知，68306工作面所在的8#煤同上部6#煤之間存在3層石灰?guī)r，分別為L(zhǎng)1、K3、L4，平均厚度分別為4.53m、7.15m和4.0m，距離巷道表面分別為0m、10.87m和23.72m，石灰?guī)r堅(jiān)硬穩(wěn)定，難以垮落，是主要處理對(duì)象，因此在水力切頂時(shí)，鉆孔垂直頂板的處理深度至少要達(dá)到L4灰?guī)r以上，即27.72m以上。采用水力壓裂消除或減弱石灰?guī)r等堅(jiān)硬頂板形成的懸頂效應(yīng)，切斷護(hù)巷煤柱上部堅(jiān)硬厚頂板，使懸臂區(qū)冒落，更好地充填采空區(qū)，增加采空區(qū)承載載荷，降低煤柱和實(shí)體煤的載荷，改變應(yīng)力轉(zhuǎn)移和分配比例，改善底抽巷受力狀態(tài)，減少底抽巷的變形。

3 底抽巷水力切頂卸壓設(shè)計(jì)及監(jiān)測(cè)

采用水力壓裂對(duì)68306回風(fēng)巷進(jìn)行切頂，參數(shù)設(shè)計(jì)主要考慮如下三方面：

1)68306工作面所在的8#煤同上部6#煤之間存在3層石灰?guī)r，平均厚度分別為4.53m、7.15m和4.0m，距離巷道表面分別為0m、10.87m和23.72m，是主要處理對(duì)象，因此在水力壓裂切頂時(shí)鉆孔的深度在垂直方向的高度要高于灰?guī)r的深度。

2)考慮到巷道高度、鉆機(jī)尺寸、鉆桿長(zhǎng)度、施工的便利性及推注水管的難易程度，鉆孔角度設(shè)計(jì)為50°。

3)根據(jù)理論分析成果，同時(shí)參考同類型礦井巷道卸壓實(shí)施經(jīng)驗(yàn)。

設(shè)計(jì)68306回風(fēng)巷水力壓裂鉆孔的深度為36.5m，垂直頂板深度為28m，鉆孔間距為10m，鉆孔仰角為50°，壓裂孔布置如圖4所示。

圖4 水力壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)

壓裂過(guò)程中采用同孔多段分次后退式壓裂技術(shù)[3]，采用跨式鉆孔封隔器，每個(gè)鉆孔壓裂次數(shù)不少于10次。壓裂過(guò)程中采用水壓儀監(jiān)測(cè)水壓變化，某鉆孔水力壓裂曲線見(jiàn)圖5所示，由壓裂曲線可以看出，對(duì)封閉段開(kāi)始加壓時(shí)，壓力急劇增加，裂縫高水壓力作用下產(chǎn)生起裂，然后壓力降低，并以一種較為穩(wěn)定的壓力狀態(tài)向外擴(kuò)展，從鉆孔外側(cè)看出，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，臨近鉆孔會(huì)出現(xiàn)溢水現(xiàn)象。同時(shí)也可以看出該鉆孔的水壓最大為20MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于灰?guī)r的抗壓強(qiáng)度，主要是水力壓裂過(guò)程中抵抗的是巖體的抗拉強(qiáng)度和最大水平主應(yīng)力。

圖5 水力壓裂曲線

4 底抽巷水力切頂卸壓設(shè)計(jì)及監(jiān)測(cè)

由于目前對(duì)于水力壓裂的裂紋擴(kuò)展技術(shù)手段不成熟，觀測(cè)巖體內(nèi)部的裂縫擴(kuò)展存在很大的難度，為此在現(xiàn)場(chǎng)施工中通過(guò)宏觀觀察及安裝水壓儀的方式進(jìn)行觀測(cè)，壓裂的壓力通過(guò)水壓儀進(jìn)行測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)水力壓裂是超前回采工作面50m開(kāi)始實(shí)施，即距離回采工作面端頭超前支護(hù)10m外開(kāi)始逐孔壓裂，由于壓裂速度遠(yuǎn)超工作面的回采速度，因此水力壓裂不會(huì)對(duì)工作面回采產(chǎn)生影響，在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中在壓裂前、后進(jìn)行鉆孔窺視分析，窺視狀況如圖6和圖7所示。由于水力壓裂后孔壁遭到破壞，多組鉆孔鉆頭無(wú)法深入，因此在本文中選擇的窺視的深度為23m，由于采用人工推桿方式進(jìn)行窺視，兩次窺視深度盡可能的保持一致但難以保證完全相同，水力壓裂前后的窺視結(jié)果顯示在13.5m處原本完整的灰?guī)r頂板出現(xiàn)了環(huán)形裂隙，在16.8m和18.7m處出現(xiàn)了縱向裂隙，在23m處煤層孔壁出現(xiàn)了明顯的巖層松軟破碎的現(xiàn)象。對(duì)于水力壓裂而言，目前觀測(cè)在高壓水的作用下巖體內(nèi)部裂紋擴(kuò)展難度非常大，單純通過(guò)對(duì)鉆孔壁的窺視無(wú)法完全確定壓裂的效果，窺視僅作為一種輔助觀測(cè)手段，目前觀測(cè)煤巖體水力壓裂現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際效果主要采取兩種手段，一種是觀察臨近鉆孔的出水情況，在本次壓裂過(guò)程中，鉆孔間距為10m，在壓裂時(shí)相鄰鉆孔均有明顯的淋水現(xiàn)象；另一種是直接觀測(cè)所要卸壓的巷道變形情況，直接觀測(cè)巷道的壓力顯現(xiàn)和變形情況以反映壓裂的效果。

圖6 鉆孔結(jié)構(gòu)窺視相對(duì)位置示意圖

水力壓裂后68306工作面回采過(guò)后68306底抽巷表面位移監(jiān)測(cè)曲線如圖8所示。由圖8可以看出：在上部68306工作面回采期間，底抽巷的變形量出現(xiàn)了顯著的增加態(tài)勢(shì)，特別是當(dāng)回采工作面與底抽巷測(cè)站的相對(duì)距離為80m后，底抽巷的變形量顯著增大，但隨著時(shí)間的推移，底抽巷的變形也趨于穩(wěn)定，而相鄰的同類型巷道68309底抽巷在上部工作面回采完畢后頂?shù)装逡平扛哌_(dá)1500mm，巷道難以滿足二次使用，而采用水力壓裂切頂卸壓后，68306底抽巷的變形量能夠滿足工作面抽采瓦斯需要，取得了良好的效果。

圖7 水力壓裂后鉆孔窺視圖

圖8 底抽巷表面位移曲線

5 結(jié) 論

1)工作面采動(dòng)后堅(jiān)硬厚頂板易形成較長(zhǎng)時(shí)間跨度的懸頂效應(yīng)是底抽巷長(zhǎng)期無(wú)法穩(wěn)定、變形過(guò)大的關(guān)鍵因素。

2)水力壓裂切頂卸壓消除或減弱堅(jiān)硬頂板形成的懸頂效應(yīng)，切斷護(hù)巷煤柱上部堅(jiān)硬厚頂板，增加了采空區(qū)承載載荷，改變了煤柱應(yīng)力轉(zhuǎn)移和分配比例，改善了底抽巷受力狀態(tài)。

3)采用同孔多段分次后退式壓裂技術(shù)，結(jié)合跨式鉆孔封隔器，在頂板圍巖中形成了明顯的裂縫，緩解了底抽巷圍巖應(yīng)力集中，降低了底抽巷的維護(hù)難度。