綜放工作面回撤通道水力壓裂切頂卸壓技術(shù)研究

李 宇

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西呂梁 033602）

0 引言

綜放工作面在末采時(shí)會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的礦壓現(xiàn)象[1]，頂板將會(huì)發(fā)生大面積集中冒落而懸頂[2]，導(dǎo)致工作面支架損壞嚴(yán)重，甚至壓死輸送機(jī)，工作面被迫停產(chǎn)，為確保綜放工作面末采過(guò)程頂板的完整性和順利鋪網(wǎng)[3]，必須管理好頂板。

對(duì)于地處呂梁興縣地區(qū)河?xùn)|煤田離柳礦區(qū)的斜溝煤礦而言，上覆巖層是厚層狀堅(jiān)硬砂巖頂板，管理控制好頂板始終是困擾該礦的難題。在末采時(shí)，提出水力壓裂技術(shù)對(duì)綜放面頂板開展預(yù)裂弱化，降低超前支承應(yīng)力過(guò)于集中，減小工作面及回撤通道圍巖變形，對(duì)23111 工作面和回撤通道高應(yīng)力進(jìn)行“卸壓”，降低垛架數(shù)量，降低收尾回撤的成本。

1 工作面概況

斜溝煤礦23111 綜放工作面可采走向長(zhǎng)度為2 226 m，傾斜長(zhǎng)度為242 m；煤層平均厚度為14.79 m，傾角平均為8.8°；采用單一走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化低位放頂煤采煤方法進(jìn)行回采，采高為3.8 m，放煤高度10.99 m，采放比約為1：2.89，頂板采用全部垮落法管理采空區(qū)頂板。

斜溝煤礦為呂梁市興縣采深比較大的煤礦，周圍相同情況的煤礦開采和頂板治理經(jīng)驗(yàn)相對(duì)匱乏，綜放工作面礦壓規(guī)律掌握的不清楚；設(shè)計(jì)單回撤通道用于23111 綜放工作面的設(shè)備回撤，在綜采工作面末采階段，工作面及回撤通道將受到超前支承壓力的作用，較大的應(yīng)力將作用于煤體、工作面液壓支架和回撤通道的垛式支架，顯著減小工作面回撤速度。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 推進(jìn)過(guò)程中礦壓規(guī)律

礦壓顯現(xiàn)是通過(guò)直接頂作用于工作面圍壓與支護(hù)系統(tǒng)，工作面回采影響高度約為采高的6～8 倍，頂板周期性斷裂導(dǎo)致工作面礦壓顯現(xiàn)，往往較為劇烈，末采期間頂板的周期性來(lái)壓是影響回撤的主要因素。本次水力壓裂目的是消除老頂頂對(duì)回撤通道的影響。

圖1 未采用水力壓力切頂數(shù)值模型

2.2 水力壓裂數(shù)值模擬

2.2.1 建立數(shù)值模型

借助數(shù)值模擬軟件RFPA2D-Flow 模擬23111 綜放工作面末采期間實(shí)施水力壓裂切頂卸壓的效果，壓裂模型如圖3所示，卸壓鉆孔破裂情況如圖4所示。

圖3 壓裂模型

2.2.2 模擬結(jié)果分析

（1）鉆孔破裂情況

由圖4發(fā)現(xiàn)，在壓裂開始之初，在卸壓孔附近立即產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，孔壁周圍的煤體先被壓裂破碎，隨著不斷地注水，鉆孔附近區(qū)域的應(yīng)力集中帶逐漸擴(kuò)散至深部煤體，隨著應(yīng)力帶不斷運(yùn)移，相鄰孔之間發(fā)生互相疊加，進(jìn)而處于鉆孔之間的煤體在疊加應(yīng)力的影響之下，逐漸開始破裂貫通，最終形成一個(gè)相互連通的多分支網(wǎng)絡(luò)。

圖4 卸壓孔隨時(shí)間不斷破裂

（2）垂直應(yīng)力分布情況

圖5（a）為回撤通道距離工作面15 m時(shí)，煤層頂板垂直應(yīng)力的分布情況。其中橫坐標(biāo)－58 m～－52 m代表回撤通道地點(diǎn)、－52 m～－37m 代表剩余沒(méi)有開采的煤體、－37 m～118 m 代表已完成開采的煤體。在沒(méi)有實(shí)施壓裂時(shí)，因?yàn)楣ぷ髅娌煽諈^(qū)后部的懸頂距離比較大，致使－52 m～－37 m范圍內(nèi)沒(méi)有開采的煤層應(yīng)力遠(yuǎn)超過(guò)壓裂時(shí)。在未開展切頂卸壓時(shí)采空區(qū)懸頂范圍（－32 m～－12 m）的應(yīng)力是零，實(shí)施切頂卸壓后，此區(qū)域的應(yīng)力升高1 MPa。證明水力壓裂切頂卸壓技術(shù)能夠明顯提高采空區(qū)的應(yīng)力，減輕工作面的超前支承壓力。

圖5（b）為回撤通道與工作面處于5 m 距離時(shí)，煤層頂板垂直應(yīng)力的分布情況。由圖6 發(fā)現(xiàn)，水力壓裂技術(shù)能減小回撤通道圍巖的應(yīng)力，達(dá)到切頂卸壓的效果。數(shù)值模擬是在理想化的基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，就是水力壓裂切頂卸壓能保證采空區(qū)頂板隨采隨冒，足夠填滿采空區(qū)范圍。而實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，水力壓裂切頂卸壓技術(shù)只能提高頂板的破裂冒落效果，卻很難實(shí)現(xiàn)隨采隨冒的理想效果。

圖5 煤層頂板應(yīng)力分布情況

3 壓裂鉆孔設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)兩種壓裂鉆孔：壓裂鉆孔A和壓裂鉆孔B，施工參數(shù)見表2，鉆孔示意圖如圖6 所示，通過(guò)倒退方法開始水力壓裂，每3 m 間隔水力壓裂1 次，鉆孔A 的壓裂范圍設(shè)置是從孔口25 m起至孔底；鉆孔B是從孔口24 m起至孔底。依據(jù)壓裂現(xiàn)場(chǎng)鉆孔實(shí)際流水情況，實(shí)時(shí)變更壓裂區(qū)域，杜絕出現(xiàn)大面積的淋水現(xiàn)象。

表2 壓裂鉆孔施工參數(shù)

圖6 鉆孔施工示意

4 壓裂工藝

壓裂鉆孔在回撤通道向工作面回采走向布置；水力壓裂頂板的高度與壓裂效果有較為密切的關(guān)系。距離煤層過(guò)遠(yuǎn)或過(guò)近都會(huì)影響壓裂效果，壓裂區(qū)距離煤層頂板一般要大于5 m，避免對(duì)影響頂板支護(hù)質(zhì)量，壓裂區(qū)段的一通常是15 m～25 m，這樣有利于符合采高及頂板變化的規(guī)律。

水力壓裂的主要程序有3 部分：鉆孔封孔→高壓水壓裂→保壓注水，壓裂設(shè)備如圖7 所示。水力壓裂系統(tǒng)主要包括封孔器、注水管、高壓水泵和KJ327－F流量水壓監(jiān)測(cè)儀等。

圖7 壓裂裝置及過(guò)程

5 分析切頂卸壓效果

23111 綜放工作面支架平均受力與推進(jìn)度的關(guān)系，如圖8 所示。當(dāng)23111 工作面與回撤通道相距34 m時(shí)，工作面的支架受力情況發(fā)生顯著減小，支架壓力從38 Mpa 減小至29 MPa，平均減小23.68%的壓力。由23111 工作面支架受力圖可得到，實(shí)施水力壓裂提前壓裂頂板，能明顯減弱頂板的大面積冒落現(xiàn)象，進(jìn)而減小液壓支架的受力。當(dāng)回撤通道與工作面相距16m時(shí)，工作面支架壓力降到最小。這時(shí)水力壓裂切頂卸壓技術(shù)全部作用于23111綜放工作面。

23111 工作面處于末采時(shí)，礦壓顯現(xiàn)最為強(qiáng)烈區(qū)域是貫通前10 m 距離，實(shí)施水力壓裂技術(shù)后，工作面頂板在被分層、多次壓裂和弱化處理后，達(dá)到分離直接頂和老頂，并開始分階段逐漸冒落，進(jìn)而削弱末采期間貫通時(shí)頂板顯現(xiàn)強(qiáng)度。因?yàn)樗毫训挠绊?，將貫通整個(gè)階段處于平緩狀態(tài)，待工作面與回撤通道全部貫通后，最終達(dá)到以“支架+垛架”為主的可靠穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 23111工作面支架平均受力情況

6 結(jié)論

（1）借助理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究壓裂裂隙延伸擴(kuò)展的原理，發(fā)現(xiàn)鉆孔壓裂長(zhǎng)度的不同與鉆孔直徑之間的關(guān)系，得到最佳的壓裂鉆孔長(zhǎng)度。

（2）通過(guò)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)23111工作面與回撤通道的距離小于30 m 時(shí)，隨著工作面的不斷開采，支架壓力呈現(xiàn)先減小后逐布增加的趨勢(shì)；當(dāng)貫通時(shí)，工作面余下的煤柱可靠穩(wěn)定，垛式支架的壓力開始升高，但是增大幅度較小，支架壓力穩(wěn)定；當(dāng)貫通后，回撤通道中每個(gè)支護(hù)構(gòu)件的受力保持平穩(wěn)，逐漸向外轉(zhuǎn)移壓力。

（3）在回撤通道開展水力壓裂卸壓技術(shù)后，能夠充分壓裂、弱化和軟化頂板，減弱23111綜放工作滿末采時(shí)回撤通道的礦壓顯現(xiàn)程度，增強(qiáng)末采回撤的安全性，節(jié)約大量的人力和物力，具有顯著的的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。