楊俊哲，鄭凱歌，王振榮，龐乃勇

(1.神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 神木 719315; 2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054; 3.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院,安徽 淮南 232001)

復(fù)雜地質(zhì)條件下，形成了我國(guó)煤層賦存的多樣性，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有1/3以上煤層頂板發(fā)育有厚層堅(jiān)硬頂板[1-2]。堅(jiān)硬頂板是指巖石強(qiáng)度高、節(jié)理裂隙不發(fā)育、厚度大、整體性和承載能力強(qiáng)的巖層。堅(jiān)硬頂板發(fā)育的區(qū)域在回采過(guò)程中，來(lái)壓強(qiáng)度大，動(dòng)載擾動(dòng)強(qiáng)，易發(fā)生大面積懸頂。頂板懸頂長(zhǎng)度到極限時(shí)，突然發(fā)生垮落，將聚集于采空區(qū)空間的氣體迅速帶出，誘發(fā)工作面發(fā)生颶風(fēng)、壓架、乃至沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害問(wèn)題，嚴(yán)重制約了礦井安全高效生產(chǎn)[3-5]。李新元等[6]通過(guò)采礦學(xué)、材料力學(xué)等方面研究，提出了覆巖應(yīng)力及應(yīng)力增量作用條件下的厚硬頂板初次斷裂力學(xué)結(jié)構(gòu)模型，并構(gòu)建了能量分布估算公式。姜福興等[7]針對(duì)厚層堅(jiān)硬頂板條件，構(gòu)建了“載荷三帶”力學(xué)結(jié)構(gòu)模型，并開(kāi)發(fā)了沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)及防治的治理體系。張科學(xué)等[8]探討了巨厚礫巖條件與構(gòu)造條件耦合作用下回采巷道沖擊地壓的發(fā)生機(jī)制?？琢詈５萚9-12]研究了高位硬厚巖層“見(jiàn)方”破斷規(guī)律及沖擊機(jī)制，提出見(jiàn)方期間來(lái)壓強(qiáng)烈，易引發(fā)強(qiáng)礦壓災(zāi)害。黃炳香等[13]針對(duì)堅(jiān)硬頂板誘發(fā)煤層強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)災(zāi)害，指出水壓致裂可改造頂板巖體結(jié)構(gòu)，控制工作面頂板的冒落，并提出了堅(jiān)硬頂板水壓致裂控制的理論與成套技術(shù)框架。陸菜平等[14]針對(duì)堅(jiān)硬頂板誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害的波普特征，發(fā)現(xiàn)了沖擊地壓發(fā)生礦壓發(fā)生時(shí)礦震主頻處于極低值的現(xiàn)象。何江等[15-16]研究認(rèn)為堅(jiān)硬頂板發(fā)生破斷時(shí)，破斷應(yīng)力傳遞至回采煤層，并在下部承載煤體和支護(hù)體上產(chǎn)生應(yīng)力增量，嚴(yán)重時(shí)可誘發(fā)沖擊礦壓顯現(xiàn)。

綜上所述，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)堅(jiān)硬頂板發(fā)育條件下誘發(fā)強(qiáng)礦壓動(dòng)力災(zāi)害機(jī)制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系，及災(zāi)害防治技術(shù)進(jìn)行了卓有成效的研究，研究成果大幅提高了堅(jiān)硬頂板強(qiáng)礦壓災(zāi)害科學(xué)防治技術(shù)的發(fā)展[17]。但多集中在局部防治措施，對(duì)于堅(jiān)硬頂板強(qiáng)礦壓動(dòng)力災(zāi)害超前區(qū)域防治技術(shù)研究較少。筆者以神東礦區(qū)典型礦井為背景，綜合物理模擬、數(shù)值方法等研究手段，揭示了堅(jiān)硬頂板條件下的覆巖破斷方式，探究了堅(jiān)硬頂板超前壓裂對(duì)采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度的弱化效應(yīng)。基于此，提出了堅(jiān)硬頂板的定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂超前弱化治理技術(shù)，并開(kāi)展了工程應(yīng)用試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了采場(chǎng)強(qiáng)礦壓災(zāi)害的科學(xué)防控。

1 堅(jiān)硬頂板覆巖結(jié)構(gòu)特征

隨著工作面的不斷推進(jìn)，采場(chǎng)上覆巖層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并對(duì)工作面礦壓顯現(xiàn)產(chǎn)生影響。李志華等[18]基于直接頂充填系數(shù)N及上覆關(guān)鍵層特點(diǎn)，對(duì)工作面堅(jiān)硬頂板覆巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分類，分為4類6種。

當(dāng)N≥3時(shí)，表示垮落帶內(nèi)巖層能夠隨著開(kāi)采自然冒落，并能充填滿采空區(qū)，回采過(guò)程中該類頂板礦壓顯現(xiàn)不顯著，有利于采場(chǎng)頂板圍巖控制;反之，若N<3時(shí)，表示垮落帶內(nèi)巖層難以自然垮落，冒落后難以充滿采空空間，易形成大面積懸頂。懸頂面積達(dá)到極限值，頂板發(fā)生破斷，釋放大量能量，誘發(fā)工作面發(fā)生強(qiáng)礦壓動(dòng)載現(xiàn)象，甚至?xí)?dǎo)致沖擊地壓災(zāi)害。另外，頂板覆巖結(jié)構(gòu)中堅(jiān)硬巖層是否存在和堅(jiān)硬巖層數(shù)量直接決定了頂板覆巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。許家林等[19]通過(guò)分析，對(duì)淺埋煤層覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分類，主要分為單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)(厚硬單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)和復(fù)合單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu))和多層關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)(覆巖中巖層厚度>2.5 m，且單軸抗壓強(qiáng)度>60 MPa的巖層劃分為堅(jiān)硬巖層)。本文研究區(qū)域煤層頂板多為多層關(guān)鍵層，直接頂充填系數(shù)小于2(如布爾臺(tái)42108工作面為0.640)，屬于Ⅱ類頂板覆巖結(jié)構(gòu)。

表1 煤層頂板巖層結(jié)構(gòu)分類Table 1 Classification of roof strata structure of coal seam

2 堅(jiān)硬頂板綜放開(kāi)采致災(zāi)原理

2.1 覆巖關(guān)鍵層破斷特征

煤層開(kāi)采高度和頂板覆巖特征決定了 “兩帶”發(fā)育形態(tài)和特征，在研究區(qū)既定覆巖結(jié)構(gòu)條件下，煤層采高成為影響頂板巖層破斷形式和特征的關(guān)鍵因素。神東礦區(qū)煤層賦存穩(wěn)定，6.0 m以上煤層資源占據(jù)總儲(chǔ)量的78.1%，多采用綜采或者綜放一次采全高[20]的開(kāi)采方法。為了揭示研究區(qū)開(kāi)采條件下覆巖破斷特征，采用物理模擬方法，針對(duì)常規(guī)采高(3.0 m)和研究區(qū)大采高(7.0 m)條件進(jìn)行破斷分析，鋪設(shè)重力條件下的平面應(yīng)力模型，模擬實(shí)驗(yàn)的幾何相似比為1∶100，容重相似比為0.6，應(yīng)力強(qiáng)度相似比為1∶170，時(shí)間相似比為1∶12，實(shí)驗(yàn)架臺(tái)為長(zhǎng)120 cm×寬8 cm。頂部松散層載荷以鐵塊代替。模型上方未模擬覆巖高度以補(bǔ)償載荷加載到平面模型架上替代，模型如圖1所示。

圖1 2方案模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.1 Model diagram of two programs simulation experiments

模型開(kāi)挖后，覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)形態(tài)如圖2(a)所示，當(dāng)采高較小時(shí)(3.0 m)，距離煤層較近的低位關(guān)鍵層，其破斷塊體均能相互鉸接，形成了“砌體梁”結(jié)構(gòu)，且鉸接塊體回轉(zhuǎn)角較小。當(dāng)采高增大為7.0 m時(shí)(圖2(b))，關(guān)鍵層破斷塊體下方可回轉(zhuǎn)空間顯著增大，導(dǎo)致低位關(guān)鍵層破斷塊體未能相互鉸接而進(jìn)入了“垮落帶”范圍內(nèi)，并以“懸臂梁”結(jié)構(gòu)的狀態(tài)出現(xiàn);距離煤層較遠(yuǎn)的關(guān)鍵層(上位關(guān)鍵層)處于覆巖裂隙帶中，則形成了“砌體梁”結(jié)構(gòu)。

圖2 不同采高條件下模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚21]Fig.2 Simulation experiment under different mining heights[21]

顯然，煤層回采高度越大、關(guān)鍵層所處層位越低，更易形成 “懸臂梁”結(jié)構(gòu)，并為低位堅(jiān)硬頂板關(guān)鍵層破斷回轉(zhuǎn)提供了空間，易形成動(dòng)力災(zāi)害。這也合理解釋了研究區(qū)中典型礦井如布爾臺(tái)煤礦采高為6.2 m，煤層頂板25～30 m多發(fā)育一層堅(jiān)硬細(xì)粒砂巖關(guān)鍵層，工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)頻發(fā)的現(xiàn)象。

2.2 堅(jiān)硬頂板致災(zāi)原理分析

工作面開(kāi)采后圍巖應(yīng)力重新分布，在堅(jiān)硬頂板懸臂梁未破斷前，懸頂面積不斷增大，頂板不斷積聚能量，在發(fā)生沖擊礦壓災(zāi)害破壞前圍巖在靜載應(yīng)力場(chǎng)處于極限平衡狀態(tài)。當(dāng)煤礦井下發(fā)生采掘擾動(dòng)時(shí)，新的擾動(dòng)應(yīng)力對(duì)處于極限平衡狀態(tài)的煤巖體產(chǎn)生動(dòng)載效應(yīng)，開(kāi)采擾動(dòng)載荷和地應(yīng)力靜載荷的耦合疊加作用下，應(yīng)力疊加結(jié)果超過(guò)煤巖層的臨界承載值，達(dá)到煤巖動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的臨界載荷，誘導(dǎo)煤巖體發(fā)生塑性破壞，導(dǎo)致頂板壓動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生[22-23]。與煤層分層開(kāi)采方式對(duì)比，厚煤層工作面采高加大，垮落帶范圍增加。同等覆巖結(jié)構(gòu)條件下，直接頂垮落高度難以填滿采空區(qū)空間，無(wú)法形成有效支撐，覆巖破斷過(guò)程發(fā)生大角度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，難以與已垮落巖體形成有效接觸，形成不穩(wěn)定覆巖結(jié)構(gòu)[24]。當(dāng)不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)產(chǎn)生大量動(dòng)載荷σ2，與煤巖體靜載荷σ1形成有效疊加，當(dāng)其值大于煤巖體發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害的臨界荷載σbmin時(shí)，就會(huì)誘發(fā)強(qiáng)礦壓動(dòng)力災(zāi)害。煤巖動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的“動(dòng)靜疊加原理”，如圖3所示。

圖3 動(dòng)靜載荷疊加煤巖動(dòng)力災(zāi)害原理Fig.3 Principle of dynamic and static loading superimposed coal and rock dynamic disaster

3 堅(jiān)硬頂板動(dòng)力災(zāi)害防治技術(shù)

3.1 堅(jiān)硬頂板弱化防治模擬分析

3.1.1模型建立

為了揭示堅(jiān)硬頂板巖層存在與否，回采過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)特征，為堅(jiān)硬頂板壓裂弱化技術(shù)模式建立提供支撐。以神東礦區(qū)典型礦井4-2煤層42108綜采工作面為依托，結(jié)合礦井地質(zhì)資料可知，工作面回采4-2煤層，工作面回采長(zhǎng)度為5 170 m，傾向長(zhǎng)度310 m，煤層埋深370～475 m，主采煤層為侏羅系延安組4-2煤，煤層厚度為3.8～7.3 m，平均6.05 m，煤層傾角1°～4°。直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均12.00 m;基本頂為細(xì)砂巖，平均厚度為22.00 m(圖4)，巖層抗壓強(qiáng)度平均60 MPa以上，堅(jiān)硬難垮。

采用 FLAC3D進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算，模型規(guī)格選取長(zhǎng)600 m，寬度 400 m，高度 94 m。模型左右兩側(cè)及頂部施加應(yīng)力邊界條件，垂直方向頂部施加均勻布置荷載，其值為σz=5.5 MPa，側(cè)應(yīng)力依據(jù)側(cè)壓系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，模擬區(qū)域側(cè)壓系數(shù)為0.45。模型左右側(cè)設(shè)置x方向位移邊界，前后兩端設(shè)置y方向位移邊界，上端面為自由端(圖4)[25]。經(jīng)單元?jiǎng)澐?，形成?jì)算網(wǎng)格，共計(jì)單元體136 840個(gè)，節(jié)點(diǎn)154 504個(gè)。

1.2 指標(biāo)檢測(cè)方法 檢測(cè)并對(duì)比兩組血清PTX3、瘦素、雌二醇(E2)、睪酮(T)、LH及FSH與HOMA-IR的相關(guān)性。

圖4 數(shù)值模擬模型Fig.4 Numerical simulation model

3.1.2模型參數(shù)及方案

模型參數(shù)主要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣和巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果獲得，考慮到巖石的尺度效應(yīng)，模擬計(jì)算采用的參數(shù)結(jié)果見(jiàn)表2，本次模擬所涉及的材料均屬于彈性材料，因此模擬所采用的本構(gòu)模型為庫(kù)倫-摩爾塑性模型。

表2 模型巖石物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Rock physical and mechanical parameters in model

(1)

其中，δ1，δ3分別為最大和最小主應(yīng)力;c和φ分別為黏聚力和內(nèi)摩擦角。當(dāng)fs>0 時(shí)，材料將發(fā)生剪切破壞。在通常應(yīng)力狀態(tài)下，巖體的抗拉強(qiáng)度很低，因此可根據(jù)抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則(δ3≥δT)判斷巖體是否產(chǎn)生拉破壞。

分段水力壓裂技術(shù)可實(shí)現(xiàn)堅(jiān)硬頂板的有效改造，促使巖層形成新的壓裂主裂縫，隨著大量壓裂液的注入下裂縫不斷向外延伸，在巖層節(jié)理或裂縫位置發(fā)生轉(zhuǎn)向和擴(kuò)展，形成側(cè)向次級(jí)和二級(jí)次生裂縫，如此循環(huán)，直至與天然裂縫彼此交織形成裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其可實(shí)現(xiàn)堅(jiān)硬巖層的弱化，等效于將堅(jiān)硬頂板巖層強(qiáng)度降低至非堅(jiān)硬頂板巖層。本次模擬方案中采取利用研究區(qū)堅(jiān)硬頂板不發(fā)育的工作面頂板巖層的巖石力學(xué)參數(shù)等效弱化治理結(jié)果(模型2)，堅(jiān)硬頂板巖石力學(xué)參數(shù)為研究區(qū)42108工作面基本頂細(xì)粒砂巖力學(xué)參數(shù)(表3)，其參數(shù)來(lái)源于工作面頂板巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果。基于此，建立不同條件下的正交模型，間隔40 m布置應(yīng)力監(jiān)測(cè)線，揭示堅(jiān)硬弱化改造治理的強(qiáng)礦壓災(zāi)害解危效應(yīng)。

3.1.3模擬結(jié)果分析

(1)弱化前后覆巖破壞特征。由圖5可知，在堅(jiān)硬頂板弱化前，隨著工作面的不斷推進(jìn)，煤層頂板的塑形破壞區(qū)不斷增加。回采至60 m時(shí)，頂板首先發(fā)生了以拉破壞為主的拉、剪混合破壞;回采至100 m時(shí)，發(fā)生大規(guī)模的剪切破壞。隨著工作面持續(xù)推進(jìn)，回采至140 m時(shí)，頂?shù)装逅苄詤^(qū)范圍均增加，煤體周圍塑性區(qū)向兩側(cè)延伸。

由圖6可知，對(duì)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行弱化后，工作面回采至40 m時(shí)，頂板發(fā)生了大規(guī)模拉、剪混合破壞，頂板出現(xiàn)初次破斷;持續(xù)回采至80 m，頂板拉破壞增加，形成了中部以剪切破壞為主，工作面端頭剪切破壞大幅增加的橢球體形態(tài)特征。

圖6 弱化后覆巖破壞特征Fig.6 Failure features of overburden strata after weakening

(2)弱化前后頂板應(yīng)力變化。由圖7(a),(b)分析可知，堅(jiān)硬頂板弱化前后，工作面回采至60 m時(shí)。工作面回采區(qū)域呈現(xiàn)卸壓、應(yīng)力集中區(qū)域、原始應(yīng)力等應(yīng)力場(chǎng)分布現(xiàn)象。工作面兩端頭出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中峰值在工作面兩端的煤壁處，超前弱化前應(yīng)力集中峰值達(dá)11.25 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)1.53(原始應(yīng)力為7.35 MPa);超前弱化后，應(yīng)力集中峰值降低為8.87 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)1.21。超前弱化前頂板初次來(lái)壓步距為100 m，周期來(lái)壓步距為40 m;超前弱化后，工作面初次來(lái)壓步距為40 m，周期來(lái)壓步距降低至20 m。由圖7(c)分析可知,堅(jiān)硬頂板弱化后，最高應(yīng)力由19.7 MPa降低至10.2 MPa，實(shí)現(xiàn)了有效的卸壓弱化，為堅(jiān)硬頂板引起的強(qiáng)礦壓的弱化治理，提供了有效研究方向。

3.2 堅(jiān)硬頂板分段水力壓裂弱化技術(shù)

針對(duì)以上問(wèn)題，結(jié)合堅(jiān)硬頂板致災(zāi)原理分析結(jié)果，開(kāi)發(fā)了煤礦井下頂板超長(zhǎng)定向鉆孔裸眼分段壓裂強(qiáng)礦壓災(zāi)害防控技術(shù)。超前工作面回采，實(shí)現(xiàn)治理目標(biāo)層位的精準(zhǔn)控制，采用裸眼分段水力壓裂裝備和技術(shù)，破壞堅(jiān)硬頂板完整性，消除或減弱動(dòng)載荷能量，將擾動(dòng)和靜載荷疊加結(jié)果降低至強(qiáng)礦壓閾值以下。

3.2.1壓裂工藝技術(shù)

裸眼分段水力壓裂弱化技術(shù)裝置是由自動(dòng)化壓裂泵、引鞋、裸眼密封裝置、節(jié)流器、高壓亞雷管等組成。該技術(shù)的工藝原理為在目標(biāo)層位中形成定向長(zhǎng)鉆孔后，依托定向鉆機(jī)將壓裂成套裝備組合推送至孔底壓裂段位置。利用壓裂段前后雙裸眼密封裝置限定單個(gè)壓裂段區(qū)域，裸眼密封裝置內(nèi)置水路傳遞通道，實(shí)現(xiàn)了壓裂管柱中壓裂液與封隔器壓力的相互傳遞，可實(shí)現(xiàn)“注水坐封、排水解封”的功能(圖8)。

圖8 分段壓堅(jiān)硬頂板弱化示意Fig.8 Section pressure hard roof weakening

采用遠(yuǎn)程控制高壓泵組及，預(yù)先進(jìn)行小排量緩慢注水，確保封隔器均勻膨脹坐封(注水壓力為3～5 MPa)。封隔器完成坐封后，高壓泵組持續(xù)注水，注水壓力升至臨界壓力值后，節(jié)流器打開(kāi)，泵注壓裂液開(kāi)始充填密封壓裂段空間，直至達(dá)到該壓裂段施工設(shè)計(jì)；完成首段壓裂施工后，停止壓裂裝備運(yùn)轉(zhuǎn)，開(kāi)始孔口排水卸壓，裸眼密封裝置隨著高壓水的返排逐步回縮至原始規(guī)格；通過(guò)壓裂孔孔口鉆機(jī)裝置進(jìn)行高壓壓裂管抽拉，定量拖動(dòng)至第二段壓裂施工位置，開(kāi)展該段壓裂施工，按照設(shè)計(jì)逐步完成單孔各個(gè)設(shè)計(jì)壓裂段施工。

3.2.2壓裂弱化原理

堅(jiān)硬頂板分段壓裂技術(shù)是通過(guò)在一定密封體積條件下，利用壓裂泵組大量壓裂液注入壓裂段空間。隨著注水壓力的逐漸升高，形成了一套以高壓壓裂裂縫為主、次級(jí)裂縫延伸和自生節(jié)理及裂隙的溝通裂縫的壓裂弱化縫網(wǎng)體系。壓裂縫網(wǎng)體系的建立，降低目標(biāo)巖層結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度。分段水力壓裂縫網(wǎng)的形成是壓裂新縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，并與煤巖體自生節(jié)理、裂隙溝通綜合疊加的結(jié)果。在裸眼長(zhǎng)鉆孔壓裂過(guò)程，基于沉積巖石自生節(jié)理與裂隙系統(tǒng)的存在，高壓注水壓力達(dá)到煤巖的破裂壓力時(shí)，可建立多條水力壓裂裂縫體系，裂縫體系主裂縫方向仍會(huì)以垂直最小主應(yīng)力方向?yàn)橹鱗26]。

壓裂過(guò)程中，堅(jiān)硬頂板受到高壓水作用，發(fā)生 “起裂—裂縫延伸—循環(huán)起裂”等多個(gè)過(guò)程，該過(guò)程伴隨著能量的消耗，尤其是對(duì)于堅(jiān)硬頂板聚集的能量，是單一不可逆的釋放過(guò)程。通過(guò)壓裂裂縫消耗散能量，減弱堅(jiān)硬頂板大面積懸頂形成的集中能量，促使動(dòng)靜載荷疊加應(yīng)力減弱至沖擊閾值以下。

4 堅(jiān)硬頂板分段壓裂弱化解危應(yīng)用

4.1 地質(zhì)條件分析

神東布爾臺(tái)煤礦位于東勝煤田范圍南緣，基于42108工作面地質(zhì)條件(圖9)，通過(guò)臨近工作面回采過(guò)程中的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和記錄，厚度達(dá)22.0 m以上的細(xì)粒砂在回采過(guò)程懸頂面積大，來(lái)壓強(qiáng)度高，周期來(lái)壓期間最高支架阻力達(dá)60 MPa以上，臨近工作面巷道底臌及煤壁片幫嚴(yán)重，最大底臌量達(dá)1.5 m，工作面支架多次出現(xiàn)壓死、爆缸動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象等問(wèn)題。

圖9 鉆孔巖性柱狀Fig.9 Borehole lithology histogram

4.2 分段水力壓裂施工

根據(jù)井下頂板垮落及來(lái)壓特征，為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)層位有效弱化，針對(duì)工作面寬度，設(shè)計(jì)順煤層方向布置3個(gè)定向長(zhǎng)鉆孔，鉆孔采取等間距布置。剖面層位布置于頂板堅(jiān)硬巖層關(guān)鍵層中，依托∑h=M/(Kp-1)(M為采高，6.2 m;Kp為巖石破碎后的碎脹系數(shù)，1.25)公式計(jì)算可知采空區(qū)充滿所需垮落帶高度24.8 m，為了保證壓裂弱化效果，對(duì)上覆巖層形成有效支撐，優(yōu)選鉆孔布置于距離煤層頂板25 m的細(xì)砂巖關(guān)鍵層中。

利用中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司自主研發(fā)的ZDY6 000 LD型定向鉆機(jī)，在42108工作面輔運(yùn)聯(lián)巷煤層中部開(kāi)孔。鉆孔采用兩級(jí)孔身結(jié)構(gòu):其中一開(kāi)(孔徑φ96 mm)鉆進(jìn)至35 m，經(jīng)過(guò)φ96 mm→φ153 mm→φ193 mm兩次擴(kuò)孔后，下入φ146 mm套管，使用封孔水泥注漿、固孔，候凝48 h。經(jīng)檢測(cè)固孔合格，待壓水結(jié)束、封孔合格后，進(jìn)行二開(kāi)(孔徑φ96 mm)定向鉆進(jìn);鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深后，終孔。為了保證鉆探及后期壓裂施工安全，在孔口安裝了孔口套管，并在孔口部分用無(wú)縫鋼管焊接φ159 mm法蘭盤加工而成，外露長(zhǎng)度250 mm。

定向鉆孔長(zhǎng)330～600 m,單個(gè)鉆場(chǎng)設(shè)置鉆孔3個(gè)，采取均勻布孔方式，鉆孔間距78.5 m。頂板定向長(zhǎng)鉆孔鉆進(jìn)完成后，利用通孔、反洗裝置，進(jìn)行鉆孔清洗和清渣工作，確保鉆孔軌跡光滑、平穩(wěn)及清潔。將分段壓裂成套裝備按照功能順序依次組裝，通過(guò)孔外鉆探設(shè)備將逐個(gè)輸送至設(shè)計(jì)位置。啟動(dòng)高壓壓裂泵組，進(jìn)行壓裂施工。單個(gè)鉆場(chǎng)壓裂鉆孔3個(gè)，單孔壓裂6～12段，合計(jì)注入高壓水量2 957.25 m3，最高壓力30.5 MPa，最低壓力12.4 MPa，最大壓力降12.9 MPa，共發(fā)生3.0 MPa以上壓降365次，壓裂效果明顯(圖10)。

圖10 鉆孔第7段壓裂數(shù)據(jù)曲線Fig.10 Racture data curves of drilling stage 7

5 壓裂效果分析

5.1 壓裂數(shù)據(jù)分析

采用壓裂泵組實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，準(zhǔn)確記錄壓裂數(shù)據(jù)(2 s數(shù)1次)，并繪制壓裂數(shù)據(jù)曲線圖。以鉆場(chǎng)鉆孔某壓裂段為例，對(duì)分段壓裂過(guò)程壓力等參數(shù)變化特征進(jìn)行分析。如圖11所示，裸眼封孔裝置完成坐封后，高壓水持續(xù)注入，節(jié)流器打開(kāi)，隨著高壓水的不斷注入，孔內(nèi)壓力逐漸升高，當(dāng)達(dá)到30.5 MPa時(shí)巖層起裂，然后突然降低至26.2 MPa。之后，壓力曲線呈現(xiàn)鋸齒波段變化，即微裂縫不斷形成的過(guò)程。當(dāng)泵注高壓水填充滿裂縫系統(tǒng)后，孔內(nèi)壓力升至28.90 MPa，之后，突降至14.1 MPa，發(fā)生第2次明顯破裂壓降。隨后在高壓持續(xù)注水作用下，發(fā)生周期性明顯壓降，最大破裂壓降12.90 MPa，形成了有效裂縫。

圖11 壓裂裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.11 Results of fracture monitoring

5.2 壓裂影響范圍監(jiān)測(cè)

基于電磁感應(yīng)機(jī)理，利用定向長(zhǎng)鉆孔的TEM測(cè)試裝置，以裝置向地下釋放的一次脈沖磁場(chǎng)基礎(chǔ)，收集二次渦流場(chǎng)數(shù)據(jù)信息，研究壓裂鉆場(chǎng)施工前后空間與時(shí)間鉆孔周圍電磁分布規(guī)律?；趬毫亚暗奶綔y(cè)成果背景場(chǎng)，利用壓裂后的探測(cè)數(shù)據(jù)與背景場(chǎng)做差，提取出壓裂裂縫影響的純異常場(chǎng)。

通過(guò)壓裂前、后孔內(nèi)三維空間低阻區(qū)的探測(cè)，共探測(cè)得到條帶狀異常11個(gè)，沿鉆孔徑向探測(cè)方向，由于壓裂造成近孔區(qū)巖層(0～10 m)散碎，而遠(yuǎn)孔區(qū)巖層(10～35 m)裂隙形成較為明顯，初步判識(shí)壓裂影響范圍35 m左右。

5.3 采動(dòng)礦壓變化特征分析

通過(guò)井下跟蹤監(jiān)測(cè)和支架數(shù)據(jù)采集，判識(shí)了壓裂前后礦壓變化規(guī)律，由圖12可知，未進(jìn)行壓裂治理區(qū)域，周期來(lái)壓期間峰值壓力為53.8～59.1 MPa，平均值為55.45 MPa;周期來(lái)壓時(shí)來(lái)壓強(qiáng)度均值為41.6～44.7 MPa，平均值為42.97 MPa;穩(wěn)定推進(jìn)時(shí)支架的正常壓力29.7 MPa，動(dòng)載系數(shù)1.41～1.52，平均達(dá)1.46，周期來(lái)壓步距21～26 m，來(lái)壓范圍廣。壓裂治理區(qū)域，周期來(lái)壓期間峰值為46.8～50.1 MPa，平均值為48.00 MPa;周期來(lái)壓時(shí)來(lái)壓強(qiáng)度均值為37.5～40.6 MPa，平均值為39.02 MPa;穩(wěn)定推進(jìn)時(shí)支架的正常壓力為29.02 MPa，動(dòng)載系數(shù)1.32～1.38，平均達(dá)1.34，周期來(lái)壓步距17～21 m，來(lái)壓范圍小(圖12)。

圖12 采動(dòng)過(guò)程中來(lái)壓特征Fig.12 Characteristics of pressure during mining

堅(jiān)硬頂板裸眼分段水力壓裂超前實(shí)施后，頂板來(lái)壓步距、動(dòng)載系數(shù)、最高壓力分別降低18.90%～70.60%,5.79%～7.90%,13.65%～19.40%。驗(yàn)證了壓裂后頂板弱化的有效性。

6 結(jié) 論

(1)針對(duì)堅(jiān)硬頂板引起的強(qiáng)礦壓動(dòng)力災(zāi)害問(wèn)題，采用物理模擬和數(shù)值分析等方法，提出了堅(jiān)硬頂板綜放開(kāi)采低位關(guān)鍵層“懸臂梁”破斷形式是致災(zāi)關(guān)鍵因素。并研究堅(jiān)硬頂板巖層弱化后礦壓顯現(xiàn)特征，開(kāi)發(fā)了頂板定向長(zhǎng)鉆孔裸眼分段水力壓裂超前弱化治理技術(shù)。

(2)在典型礦井開(kāi)展了工程應(yīng)用，單孔最長(zhǎng)達(dá)600 m，累計(jì)壓裂10段，最高壓力達(dá)30.5 MPa，最大壓降為12.90 MPa，循環(huán)發(fā)生3.0 MPa以上壓力降365次，壓裂效果明顯。采用孔內(nèi)順變電磁進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，探測(cè)狀異常11個(gè)，壓裂影響范圍35 m左右。

(3)通過(guò)回采過(guò)程中礦壓數(shù)據(jù)分析，壓裂治理后，頂板來(lái)壓步距、動(dòng)載系數(shù)、最高壓力分別降低18.90%～70.60%,5.79%～7.90%,13.65%～19.40%，驗(yàn)證了壓裂后頂板弱化的有效性。