張軍磊，任 偉，何志遠(yuǎn)，楊旭東

(中煤科工山西華泰礦業(yè)管理有限公司 河曲分公司，山西 忻州 036504)

在工作面附近，受采動(dòng)的影響，形成了應(yīng)力增高區(qū)，應(yīng)力增高區(qū)由應(yīng)力升高、應(yīng)力強(qiáng)烈和應(yīng)力減弱3部分組成。該區(qū)域護(hù)巷煤柱載荷急劇增長(zhǎng)，相鄰采區(qū)巷道的變形開始變大，巷道片幫、底鼓現(xiàn)象突出。為了解決該問題，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了一定研究，文獻(xiàn)[1]通過工業(yè)性試驗(yàn)、理論分析、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測(cè)試等方法，提出了巷道水力壓裂切頂卸壓控頂成套技術(shù)，對(duì)壓裂工藝、壓裂裝備、壓裂參數(shù)、鉆孔布置等參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[2]分析了水壓破裂規(guī)律及地層應(yīng)力的分布特點(diǎn)，計(jì)算了裂紋在平面應(yīng)力狀態(tài)下的位移場(chǎng)，提出了煤礦地面壓裂井下抽采的壓裂工藝系統(tǒng)，取到了較好的壓裂增透效果；文獻(xiàn)[3]對(duì)類混凝土材料的水力裂縫寬度進(jìn)行多點(diǎn)同步動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，獲取了不同時(shí)刻多點(diǎn)水力裂縫寬度的變化，研究對(duì)提升壓裂工藝技術(shù)具有重要參考價(jià)值；文獻(xiàn)[4]在對(duì)煤層物理特性、煤層賦存特征的基礎(chǔ)上，開展了水力壓裂技術(shù)措施，解決了鉆孔利用周期短、流量衰減速度快的難題有效地降低了施工區(qū)域的突出危險(xiǎn)性。鑒于此，本文研究了水力壓裂切頂卸壓技術(shù)，改善留巷的應(yīng)力狀態(tài)，降低巷道維護(hù)難度。

1 工程概況

山西華鹿陽坡泉煤礦有限公司位于河曲縣東南鹿固鄉(xiāng)陽坡泉村附近，礦井井田面積為11.530 4 km2，生產(chǎn)能力為120萬t/a，現(xiàn)開采10號(hào)煤層，瓦斯等級(jí)為低瓦斯礦井，礦井地質(zhì)類型和水文地質(zhì)類型劃分均為中等，煤層自燃傾向性為Ⅱ級(jí)自燃煤層，煤塵具有爆炸性，礦井現(xiàn)為“兩證一照”齊全有效的生產(chǎn)礦井。研究工作面北部為10106回采工作面(正在回采)、南部為礦井邊界(上榆泉煤礦)、西部為實(shí)體煤，東部為3條系統(tǒng)巷(南翼主運(yùn)巷、南翼輔運(yùn)巷及南翼回風(fēng)巷)。根據(jù)10108工作面運(yùn)輸巷道和回風(fēng)巷道在掘進(jìn)過程中實(shí)際揭露煤層地質(zhì)資料分析：①10108工作面開采的10號(hào)煤層，以半亮煤為主，半暗煤次之；整個(gè)工作面煤層厚度為3.5～6.8 m，平均5.35 m；②煤層中一般含1～4層夾矸，平均3層，夾矸厚度0.1～0.5 m，其巖性多發(fā)育有灰黑色碳質(zhì)泥巖。煤層頂、底板情況見表1。

表1 煤層頂、底板情況

工作面整體構(gòu)造形態(tài)為一傾向北西的單斜構(gòu)造，根據(jù)10108工作面兩巷道及切眼實(shí)際揭露地質(zhì)構(gòu)造分析：本工作面共計(jì)揭露斷層2條，其性質(zhì)均為正斷層。其中10108運(yùn)輸巷道F6斷層位于回撤通道外24 m處，不在回采范圍內(nèi)。10108回風(fēng)巷道417 m處揭露的F21正斷層，落差2.5 m；其中2條斷層對(duì)回采影響較小，具體斷層產(chǎn)狀及其實(shí)際揭露位置見表2。

表2 斷層產(chǎn)狀及其實(shí)際揭露位置

據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)資料，從以下幾個(gè)方面分析該工作面水文地質(zhì)情況[5-8]：①地表水。地表無河流和水體出露；地表覆蓋黃土層，小型沖溝發(fā)育，多為雨季泄洪溝；其次，地表裂縫也會(huì)成為導(dǎo)水通道，在雨季期間會(huì)對(duì)工作面進(jìn)行間接補(bǔ)給，但本地區(qū)降雨量較小，因此，對(duì)回采影響不大。在出現(xiàn)暴雨等極端天氣時(shí)，應(yīng)按要求嚴(yán)格執(zhí)行井下撤人制度。②裂隙水。頂?shù)装迳皫r含水層富水性較弱，頂?shù)装迳皫r裂隙水主要以頂板淋水和底板、煤幫滲水的形式出現(xiàn)，在構(gòu)造帶和裂隙發(fā)育地段涌水量會(huì)相對(duì)增加，但對(duì)生產(chǎn)影響不大，但必須要做好防排水工作。其次，地表降雨會(huì)通過采動(dòng)裂隙對(duì)工作面進(jìn)行間接補(bǔ)給，回采過程中要加強(qiáng)涌水量觀測(cè)，掌握涌水量變化情況，如發(fā)現(xiàn)異常要及時(shí)采取安全措施。③奧灰水。奧灰水：根據(jù)《10、11、13號(hào)煤層奧灰水帶壓開采評(píng)價(jià)報(bào)告》，奧灰水靜水位標(biāo)高825～865 m；新施工的2020補(bǔ)5水文孔資料顯示奧灰水靜止水位標(biāo)高為841 m；工作面內(nèi)實(shí)測(cè)10號(hào)煤層底板標(biāo)高為871.8～913.8 m。由上述數(shù)據(jù)對(duì)比并結(jié)合奧灰水突水系數(shù)計(jì)算公式分析，工作面煤層底板標(biāo)高高于奧灰水靜水位標(biāo)高841 m；一般不會(huì)受到奧灰水的威脅，但必須加強(qiáng)觀測(cè)，嚴(yán)防斷裂構(gòu)造導(dǎo)通奧灰水。④斷層水：根據(jù)10108工作面兩巷道實(shí)際揭露地質(zhì)構(gòu)造資料，均未出現(xiàn)斷裂構(gòu)造導(dǎo)水現(xiàn)象，但不排除在回采過程中工作面內(nèi)可能揭露其他斷裂構(gòu)造而導(dǎo)水，因此在回采過程中，必須要加強(qiáng)對(duì)工作面內(nèi)涌水量觀測(cè)及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，確保安全回采。⑤老空水：10108工作面開采范圍周邊不存在老空水。⑥鉆孔水：10108工作面開采范圍內(nèi)不存在地質(zhì)鉆孔。⑦物探異常區(qū)：2021年1月6日和1月12日在井下10108運(yùn)輸巷道和回風(fēng)巷道對(duì)10108回采工作面進(jìn)行了瞬變電磁探測(cè)，探測(cè)結(jié)果顯示10108工作面內(nèi)有YC-1、YC-2和YC-3三處低阻異常區(qū)，其中YC-1異常區(qū)位于10108回采工作面煤層頂板上15 m，距運(yùn)輸巷道停采線19.8 m，運(yùn)輸巷道采幫側(cè)31～40 m；YC-2異常區(qū)位于10108回采工作面煤層內(nèi)，距運(yùn)輸巷道停采線80 m，回風(fēng)巷道采幫側(cè)0～40 m；YC-3異常區(qū)位于10108回采工作面煤層內(nèi)，距運(yùn)輸巷道停采線335 m，回風(fēng)巷道采幫側(cè)0～40 m。工作面回采前需對(duì)3處物探異常區(qū)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果采取相應(yīng)措施。綜合分析，本工作面在回采過程中主要涌水來源為10號(hào)煤層頂板砂巖裂隙水，常以淋水和滲水的形式出現(xiàn)。

因此，本工作面回采過程中應(yīng)注意事項(xiàng)如下：①要及時(shí)觀測(cè)涌水量變化，如發(fā)現(xiàn)異常情況，必須立即采取安全技術(shù)措施；②工作面在回采過程中要加強(qiáng)帶壓區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的探查，查清其構(gòu)造導(dǎo)水性；③在構(gòu)造發(fā)育區(qū)域涌水量可能會(huì)增大，要加強(qiáng)觀測(cè)，如發(fā)現(xiàn)涌水異常增大，必須立即報(bào)告礦調(diào)度室和礦領(lǐng)導(dǎo)，待徹底消除安全隱患后，方可繼續(xù)開采。

2 卸壓原理

水力壓裂切頂卸壓前后的應(yīng)力分布如圖1所示。

圖1 水力壓裂切頂卸壓前后的應(yīng)力分布

卸壓前后工作面回采圍巖垂直應(yīng)力分布如圖2所示，在10108工作面回采后，未進(jìn)行水力切頂卸壓時(shí)，巷道圍巖產(chǎn)生應(yīng)力集中，其中煤柱和圍巖的水平應(yīng)力集中非常明顯，靠近10108工作面一側(cè)應(yīng)力集中程度高，應(yīng)力分布以某一位置為中心向周圍連續(xù)傳遞，采用水力切頂卸壓技術(shù)后，由工作面回采后，未卸壓端圍巖應(yīng)力主要集中在回采巷道周圍附近，分布范圍相對(duì)較廣，應(yīng)力集中程度高；卸壓端，由于頂板垮落相對(duì)較充分，減少了懸臂梁的影響，進(jìn)而減少回采應(yīng)力集中影響范圍，并且對(duì)應(yīng)力的進(jìn)行了有效轉(zhuǎn)移，主要集中在水力切頂卸壓面的深部端頭處，可見，水力切頂卸壓可有效地降低工作面回采造成的殘余和超前支承應(yīng)力的影響范圍，能將應(yīng)力轉(zhuǎn)移到深處，調(diào)動(dòng)圍巖深部的承載能力，改善留巷的受力環(huán)境[9-16]。

3 壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 參數(shù)選取依據(jù)

根據(jù)下列公式計(jì)算進(jìn)入裂隙帶的基本頂巖層。

(1)

式中，Hi為由下而上第i層基本頂巖層(基礎(chǔ)巖層)的厚度；Hi′為由下而上第i層基本頂分層的厚度；M為煤層采高；Ki為基本頂及其附加巖層的巖石碎脹系數(shù)；Kz為基本頂及其附加巖層的巖石碎脹系數(shù)；h為直接頂厚度。

將10108工作面相關(guān)數(shù)據(jù)代入上述公式，可得出第4層基本頂巖梁，即1.3 m炭質(zhì)泥巖以上巖層為裂隙帶巖層，其下巖層為冒落帶巖層。因此，壓裂鉆孔垂深應(yīng)達(dá)到第4層基本頂巖梁以上，為保證壓裂效果，壓裂位置應(yīng)盡可能更深。

3.2 方案設(shè)計(jì)

水力壓裂鉆孔布置如圖3所示。壓裂鉆孔布置圖4所示。

圖4 水力壓裂深孔布置

4 施工工藝

4.1 鉆孔注水壓裂

壓裂過程需要2套水路管線：封孔和高壓水力壓裂。

4.2 封孔

(1)封孔系統(tǒng)的安裝與連接如5所示。封孔系統(tǒng)的安裝與連接工藝流程及注意事項(xiàng)：①連接之前，確認(rèn)管路是否暢通；②連接安裝封孔器后，接靜壓水對(duì)封孔器進(jìn)行排氣、試壓，查看封孔器是否漏水，回水是否通暢，保證運(yùn)作正常；③“三通”必須連接截止閥；④開始打壓手動(dòng)泵之前，同時(shí)打開“三通”上的2個(gè)截止閥，讓靜壓水進(jìn)入儲(chǔ)能器，靜壓水進(jìn)滿依據(jù)或標(biāo)志為：時(shí)間4～5 min，關(guān)閉靜壓水截止閥時(shí)，手動(dòng)泵壓力表指針不上下擺動(dòng)，靜止在某刻度處，約為靜壓水壓力值。靜壓水上滿后關(guān)閉靜壓水的截止閥；⑤打壓手動(dòng)泵至10 MPa；⑥手動(dòng)泵打壓完畢后，切記關(guān)閉2個(gè)截止閥，防止封孔器中的水倒流。

圖5 封孔系統(tǒng)連接示意

(2)高壓注水系統(tǒng)的安裝與連接如圖6所示。

圖6 高壓注水系統(tǒng)連接示意

5 結(jié)語

(1)采用水力切頂卸壓技術(shù)后，由工作面回采后，未卸壓端圍巖應(yīng)力主要集中在回采巷道周圍附近，分布范圍相對(duì)較廣，應(yīng)力集中程度高；卸壓端，由于頂板垮落相對(duì)較充分，減少了懸臂梁的影響，進(jìn)而減少回采應(yīng)力集中影響范圍，并且對(duì)應(yīng)力的進(jìn)行了有效轉(zhuǎn)移，主要集中在水力切頂卸壓面的深部端頭處，可見，水力切頂卸壓可有效地降低工作面回采造成的殘余和超前支承應(yīng)力的影響范圍，能將應(yīng)力轉(zhuǎn)移到深處，調(diào)動(dòng)圍巖深部的承載能力，改善留巷的受力環(huán)。

(2)通過研究了試驗(yàn)機(jī)具與設(shè)備，設(shè)計(jì)了壓裂參數(shù)及水力壓裂切頂技術(shù)施工工藝，并分析了水力壓裂切頂技的安全技術(shù)措施。研究為巷道切頂卸壓提供了技術(shù)支持。