曹秀龍，趙利安

(1.山西霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

水力壓裂技術(shù)的歷史可以追溯到20世紀(jì)40年代，但直到2003年，國外公司才在油氣開發(fā)中開始大規(guī)模使用水力壓裂技術(shù)[1，2]。20世紀(jì)70年代，這種技術(shù)被引入煤礦生產(chǎn)中，用于防治瓦斯突出[3]。近年來，隨著我國煤炭開采逐漸向深部轉(zhuǎn)移，井下采掘場所的圍巖壓力和瓦斯涌出量越來越大，水力壓裂技術(shù)在煤礦井下采場上覆堅(jiān)硬頂板和煤礦瓦斯治理方面的應(yīng)用越來越多。在煤礦，水力壓裂主要用于煤層氣水力壓裂增產(chǎn)[4-7]，采場頂板壓裂降低來壓步距和工作面支架工作阻力[8-10]和巷道堅(jiān)硬頂板卸壓等方面。楊健[11]對王坡煤礦3314運(yùn)輸巷水力壓裂鉆孔相關(guān)施工參數(shù)進(jìn)行確定，并進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。高佳永[12]采用FLAC3D摩爾-庫倫模型進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果具有一定可靠性。杜江濤[13]針對霍州某礦工作面上隅角懸頂面積過大以及回采巷道超前段動壓劇烈的問題進(jìn)行了水力壓裂設(shè)計(jì)和工業(yè)試驗(yàn)，結(jié)果表明水力壓裂取得了良好的效果。這些研究促進(jìn)了水力壓裂在巷道支護(hù)及控制上的應(yīng)用。

1 工程背景

霍州煤電集團(tuán)有限公司干河煤礦開采的2#煤層埋藏較深，埋藏深度超過500m，煤層厚度1.91～4.3m，平均厚度3.9m，采高3.9m，煤層傾角1°～11°，平均5°，走向長度2160m，傾斜長度183m。其2-209工作面位于+80水平二采區(qū)右翼，工作面東北為井田邊界，西南毗鄰二采區(qū)回風(fēng)巷，西北側(cè)為實(shí)體煤，2-100工作面采空區(qū)位于其東南側(cè)，2-209工作面如圖1所示。工作面采用單一走向長壁采煤方法，采用綜合機(jī)械化采煤工藝，頂板處理采用全部垮落法。

圖1 2-209工作面位置

2-209工作面臨近采空區(qū)側(cè)巷道在本工作面回采時超前維護(hù)長度普遍超過100m，而且巷道頂?shù)装逡平砍^1.0m，兩幫回縮量超過1.0m，底板劇烈鼓起，巷道超前支護(hù)段維護(hù)和返修工程量巨大，甚至出現(xiàn)個別工作面提前終止結(jié)束回采等問題。盡管回采過程中2-2092巷采用4排單體液壓支護(hù)配合π梁加強(qiáng)支護(hù)，但巷道變形破壞仍然相當(dāng)嚴(yán)重，巷道起底工作量和超前維護(hù)量巨大，嚴(yán)重阻礙2-209工作面安全高效回采。為了更好地控制2-209工作面超前應(yīng)力，進(jìn)行了水力壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)和工業(yè)試驗(yàn)。

2 水力切頂卸壓方案參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 水力切頂卸壓原理

2-100工作面已回采完畢，其采空區(qū)會在2-2092巷方向頂板形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力集中都會使2-2092巷圍巖應(yīng)力增加，由于該臨空動壓的影響，2-209回采工作面超前段巷道變形量大，增加了維護(hù)難度。而水力切頂卸壓的關(guān)鍵就是將臨空側(cè)煤柱上方懸臂梁切落，以減小懸臂梁上覆荷載及回轉(zhuǎn)變形，切斷或大大削弱巖梁傳遞到護(hù)巷煤柱和留設(shè)巷道內(nèi)的荷載，從根本上降低懸臂梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力集中，降低巷道圍巖應(yīng)力，使巷道圍巖應(yīng)力處于圍巖流變擾動閾值以下，從而達(dá)到控制巷道變形量的目的[15]。

臨近工作面采空在側(cè)向形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是巷道受側(cè)向采動影響的關(guān)鍵，側(cè)向采動卸壓機(jī)理是破壞此懸臂梁結(jié)構(gòu)，在巷道頂板附近形成破碎帶，使煤柱上方的巖層由“固支”變?yōu)椤昂喼А?，降低煤柱上方頂板向下傳遞的應(yīng)力值，從而減少巷道應(yīng)力集中。

由于煤柱寬度為25m，寬度較大，煤柱垂直應(yīng)力分布呈不對稱馬鞍形，采空區(qū)一側(cè)應(yīng)力較大，如圖2所示。采動水力壓裂切頂后，能夠降低靠近2-209巷煤柱側(cè)的應(yīng)力。

圖2 壓裂切頂對煤柱上應(yīng)力變化情況

2.2 壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 鉆孔布置

試驗(yàn)巷道長度215m(終采線以里215m)，2-2092巷切頂卸壓鉆孔布置如圖3所示。布置2種鉆孔，分別為鉆孔S和鉆孔S′，壓裂鉆孔布置剖面如圖4所示。壓裂鉆孔施工采用ZDY1200S鉆機(jī)及配套鉆機(jī)平臺，鉆桿直徑42mm，配套直徑56mm的鉆頭。試驗(yàn)巷道內(nèi)共計(jì)施工鉆孔45個，其中壓裂鉆孔42個。

圖3 2-2092巷切頂卸壓鉆孔布置方式

圖4 2-2092巷壓裂鉆孔布置(m)

煤層上覆巖層各層載荷計(jì)算結(jié)果表明，切頂關(guān)鍵層為第9層(細(xì)粒砂巖，厚度4.8m)。通過估算可知，2#煤層距離關(guān)鍵層距離為30m，又考慮到鉆機(jī)打鉆最大仰角為50°，從而確定鉆孔長度至少應(yīng)為40m，以便水力破斷關(guān)鍵層，考慮裂紋擴(kuò)展過程中的濾失、變向及多裂縫擴(kuò)展，并考慮一定的富裕系數(shù)，確定高壓注水泵的壓力為62MPa，流量為80L/min。

如圖4(a)所示，壓裂鉆孔S距離巷道左幫(煤壁幫)1.5～2.5m，鉆孔長度40.5m，初期孔間距為16m，后期調(diào)整孔間距為10m，水平方向與巷道走向夾角90°，仰角為50°；如圖4(b)所示，壓裂鉆孔S′距離巷道右?guī)?煤柱幫)1.0～2.5m，鉆孔長度40.5m，初期孔間距煤柱側(cè)為8m，后期調(diào)整孔間距為10m，水平方向與巷道走向夾角5°～10°，仰角為50°。

2.2.2 鉆孔壓裂步驟及主要構(gòu)成

頂板水力壓裂包括封孔、高壓水壓裂、保壓注水三項(xiàng)主要工序，該壓裂系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：靜壓水進(jìn)水管路、高壓水泵、水泵壓力表、蓄存壓裂介質(zhì)水和油的儲能器、手動泵、手動泵壓力表、快速連接的高壓供水膠管、封孔器。水力壓裂系統(tǒng)構(gòu)成如圖5所示[16]。

1—靜壓水進(jìn)水管路；2—高壓水泵；3—水泵壓力表；4—流量計(jì)；5—手動泵；6—快速連接的高壓供水膠管；7—手動泵壓力表；8—水壓儀；9—接頭；10—注水鋼管；11—樹脂管；12—儲存壓裂介質(zhì)水和油的儲能器；13—封孔器；14—壓裂鋼管(管壁打孔)；15—預(yù)裂縫(必要時)；16—下封孔器注水管；17—水力壓裂鉆孔圖5 水力壓裂系統(tǒng)構(gòu)成

采用單孔后退式多次壓裂方式[17]，每隔3m壓裂一次，單孔壓裂次數(shù)10～13次(次數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整)。為了安全起見，距離距孔口10m左右停止壓裂。若壓裂過程中，發(fā)現(xiàn)頂板出現(xiàn)大面積出水或者異常響聲，就應(yīng)及時停止壓裂。

2.2.3 鉆孔壓裂流程

水力壓裂流程為：接封孔器→接注水管→接通高壓水泵→封孔器加壓→開高壓泵，注水壓裂→壓裂30min或相鄰孔出水后停泵→封孔器泄壓→交替壓裂其他孔或退下2m開始第二段壓裂→開啟循環(huán)壓裂過程直至退至13m。

3 水力壓裂施工效果對比分析

此處通過對比非壓裂卸壓段的3個測站和壓裂卸壓段的1#—10#測站的底鼓量、頂板下沉量和兩幫移近量，來分析所采用的水力壓裂卸壓技術(shù)的使用效果。

3.1 底鼓量對比分析

非壓裂段內(nèi)A、B和C三個測站的底鼓量變化曲線如圖6所示，由圖6可知，超前工作面150m處發(fā)生底鼓現(xiàn)象，從超前100m明顯增加，超前50m底鼓急劇增加，三個測站最終底鼓量分別為0.52m、0.68m和0.72m。

圖6 A、B和C三個測站底鼓量變化曲線

壓裂卸壓段內(nèi)1#—10#測站的底鼓量變化監(jiān)測結(jié)果顯示，個別測站超前150m既出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，但在超前150m到超前50m范圍內(nèi)底鼓變形變化不大，直至超前工作面15～20m距離，2#—10#測站底鼓量才急劇增加。對比發(fā)現(xiàn)，采用水力壓裂技術(shù)后，底鼓量較非壓裂卸壓段大幅度降低，在0.17～0.32m之間。

3.2 頂板下沉量對比分析

非壓裂段內(nèi)A、B和C三個測站的頂板下沉量變化曲線如圖7所示，由圖7可知，超前工作面距離150m即有頂板下沉現(xiàn)象，從超前100m開始明顯增加，三個測站最終下沉量分別為0.43m、0.42m和0.26m。

圖7 A、B和C三個測站頂板下沉量變化曲線

壓裂卸壓段內(nèi)1#—10#測站的頂板下沉量變化監(jiān)測結(jié)果顯示，個別測站超前150m既出現(xiàn)頂板下沉現(xiàn)象，且下沉量在超前150m到超前50m范圍內(nèi)變化不大。直至超前工作面15～20m，2#—10#測站頂板下沉量才急劇增加。最終頂板下沉量為0.085～0.25m，較非壓裂卸壓段大大降低。

3.3 兩幫移近量對比分析

為非壓裂段內(nèi)A、B和C三個測站的兩幫移近量變化曲線如圖8所示，由圖8可知，超前工作面200m即有兩幫移近現(xiàn)象，從超前100m明顯增加，三個測站最終兩幫移近量分別為1.16m、1.16m和1.03m。

圖8 A、B和C三個測站兩幫移近量變化曲線

壓裂卸壓段內(nèi)1#—10#測站的兩幫移近量變化監(jiān)測結(jié)果顯示，個別測站超前200m即出現(xiàn)兩幫移近現(xiàn)象，但在超前150m到超前50m范圍內(nèi)變化不大，直至超前工作面50m才急劇增加。最終移近量較非壓裂卸壓段有大幅降低，在0.465～0.87m之間。

上述水力壓裂技術(shù)還在控制2-118D1巷掘進(jìn)(2-118D工作面回采)期間巷道的變形量方面進(jìn)行檢驗(yàn)和應(yīng)用。該試驗(yàn)巷道長度360m。設(shè)計(jì)鉆孔1排，鉆孔仰角為50°，與巷道長軸線成3°～5°角度；施工鉆孔共計(jì)36個，鉆孔間距10m左右，鉆孔深度為50m，垂直深度38m。檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用水力壓裂技術(shù)后，2-118D1巷在采掘期間，巷道收縮變形量較小，底板底鼓量0.06～0.33m，頂板下沉量0.03～0.11m，兩幫移近量0.14～0.5m。可見，采用水力壓裂技術(shù)，避免了2-118D1巷回縮嚴(yán)重影響掘進(jìn)、回采的問題，達(dá)到了預(yù)期的不影響回采、不再二次維護(hù)巷道的目的，也解決了該采空區(qū)對鄰近巷道產(chǎn)生的動壓影響的問題。采用該技術(shù)還可實(shí)現(xiàn)鄰巷在卸壓區(qū)域內(nèi)煤柱側(cè)幫無需采用幫錨索支護(hù)，降低了巷道支護(hù)難度，節(jié)約了支護(hù)成本，優(yōu)化了礦井采掘銜接，保障了礦井正常生產(chǎn)組織。

4 結(jié) 語

為了解決干河煤礦2-2092巷變形嚴(yán)重，超前維護(hù)量大的問題，對水力壓裂有關(guān)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析結(jié)果表明：采用水力壓裂切頂技術(shù)后，解決了臨空動壓影響帶來的回采工作面超前段巷道變形量大的難題，巷道的底鼓量、頂板底板和兩幫移近量大幅降低，節(jié)約了支護(hù)成本，優(yōu)化了采掘銜接。