寺家莊煤業(yè)15117工作面水力壓裂切頂卸壓技術(shù)實踐

郝曉東

(潞安化工集團 寺家莊公司，山西 晉中 045300)

1 工程概況

山西陽煤寺家莊公司15117工作面井下位于中央盤區(qū)，工作面南部為中央盤區(qū)準(zhǔn)備大巷，西部、東部及北部均為未采工作面，工作面走向長度1 778 m，傾斜長度220 m，開采15號煤層，煤層厚度為3.1～8.0 m，平均厚度為5.4 m，平均傾角6°，一般含矸2～3層，夾矸厚度為0.05～0.3 m。煤層頂板巖層為砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，底板巖層為砂質(zhì)泥巖。15117工作面進風(fēng)巷采用沿空留墻技術(shù)，即在巷道掘進期間構(gòu)筑1條混凝土墻體，下一區(qū)段工作面沿著混凝土墻體掘進，以此實現(xiàn)工作面無煤柱開采。由于15號煤層的直接頂和基本頂巖層厚度較大且較為堅硬，因此為保障沿空留墻作業(yè)的順利進行，采用水力壓裂切頂卸壓技術(shù)壓裂煤層頂板，使得垮落的頂板盡量充滿采空區(qū)，以緩解工作面周邊壓力。

2 水力壓裂切頂卸壓技術(shù)

2.1 水力壓裂技術(shù)原理

水力切頂卸壓技術(shù)主要是通過水力壓裂的方式對頂板巖層進行定向壓裂，通過水力壓裂達到破壞頂板巖層完整性的目的，進而充分削弱頂板的整體性及強度，使得采空區(qū)實現(xiàn)分層垮落的目的，以此降低堅硬頂板難以垮落的難度，縮短工作面的初次和周期來壓步距[1-2]。

采用水力壓裂進行切頂及弱化頂板圍巖時，工作面兩側(cè)弧形三角板的懸臂長度會在一定程度上減少，通過水力壓裂實現(xiàn)切斷采動應(yīng)力向進風(fēng)巷側(cè)傳遞，使得采空區(qū)頂板能夠及時垮落并有效限制頂板覆巖大結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)下沉，緩解留巷帶來的來壓效應(yīng)，從而有效減緩應(yīng)力集中現(xiàn)象，具體水力壓裂切頂卸壓前后應(yīng)力分布特征如圖1所示。

圖1 水力壓裂前后應(yīng)力分布特征

水力壓裂鉆孔的布置主要有單側(cè)和雙側(cè)兩種，鉆孔的布置形式主要由工作面的長度及鉆機的能力決定。工作面水力壓裂采用單側(cè)鉆孔布置時，壓裂鉆孔僅需要在一側(cè)施工，鉆孔施工量較小，但壓裂鉆孔的施工長度會較大，因此對于鉆機、鉆孔的直度和彎曲度要求會較高。工作面水力壓裂采用雙向鉆孔布置時，施工鉆孔的位置不高，鉆孔易于施工，雙側(cè)壓裂實施時能夠?qū)崿F(xiàn)均勻的頂板弱化，雙向鉆孔中的封孔器較短，易于施工[3-4]，具體水力壓裂單側(cè)和雙側(cè)鉆孔布置形式如圖2所示。水力壓裂的效果主要與頂板的水力壓裂高度有關(guān)，當(dāng)壓裂高度離巷道頂板太近或太遠時均不利于頂板的垮落，壓裂區(qū)域應(yīng)距離巷道頂板5 m以上或者支護體以上，壓裂后的頂板才會利于回采圍巖控制。

圖2 頂板單側(cè)和雙側(cè)水力壓裂鉆孔布置示意(m)

2.2 水力壓裂施工工藝

水力壓裂系統(tǒng)主要由高壓水泵、封孔器、注水管、高壓供水膠管等組成，見圖3。水力壓裂技術(shù)實施時，主要步驟如下：①連接好各類管路，檢查水力壓裂系統(tǒng)中各部件是否處于正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)；②確認完畢后，首先通過具有橫向切槽的特殊鉆頭進行預(yù)制橫向切槽(開槽位于頂板完整段)；③開槽完成后，更換鉆頭為普通鉆頭，繼續(xù)鉆進至下一開槽位置，再次更換鉆頭為特殊鉆頭進行開槽，如此循環(huán)，直至鉆孔施工完畢；④通過手動泵對封孔器的膠筒進行加壓，直至膠筒膨脹至與孔壁緊密貼合，達到封孔目的；⑤連接高壓泵，打開供水開關(guān)，對鉆孔實施水力壓裂[5-6]。

圖3 水力壓裂系統(tǒng)示意

2.3 切頂卸壓對留巷應(yīng)力影響

15117工作面留巷后，采空區(qū)內(nèi)巷道懸頂?shù)膶挾葘α粝飸?yīng)力具有較大的影響，為保障墻體的穩(wěn)定，對留巷懸頂進行模擬。現(xiàn)采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，根據(jù)工作面地質(zhì)條件建立長×寬×高=200 m×50 m×50 m的數(shù)值模型，分別對懸頂距為1 m和0.5 m時的巷道進行模擬。根據(jù)模擬結(jié)果得出不同懸頂長度下留巷圍巖垂直應(yīng)力分布如圖4所示。

圖4 不同懸頂長度下圍巖垂直應(yīng)力分布云圖

15117工作面進風(fēng)巷留巷寬度5.2 m，墻體厚度1.5 m，通過分析圖4可知，當(dāng)采空區(qū)懸頂距為0.5 m和1 m時，沿空留墻墻體垂直應(yīng)力最大值分別為20.8 MPa和22.3 MPa；懸頂距1 m相比懸頂距0.5 m，巷旁支護壓力增大約7%.因此，在沿空留墻上一工作面回采時，一定要采取措施，保證頂板沿墻體斷裂。

3 切頂卸壓方案及效果

3.1 切頂卸壓方案

根據(jù)水力壓裂技術(shù)原理，結(jié)合15117工作面地質(zhì)條件及現(xiàn)有設(shè)備情況，為有效掌握水力壓裂鉆孔在各種布置形式下的實施效果，本次水力切頂卸壓方案劃分為兩段進行，第一段采用單側(cè)鉆孔布置，第二段采用雙側(cè)鉆孔，具體方案如下：

1) 單側(cè)鉆孔布置：水力壓裂鉆孔在非回采巷幫開孔，鉆孔偏向工作面?zhèn)?，水力壓裂鉆孔各項參數(shù)如表1所示，水力壓裂鉆孔實施時，每間隔1.5 m實施1次壓裂，每次壓力的時間需大于30 min。具體單側(cè)鉆孔布置形式如圖5所示。

表1 單側(cè)水力壓裂鉆孔布置參數(shù)

2) 雙側(cè)鉆孔布置：工作面?zhèn)茹@孔在巷幫開孔，鉆孔距頂板0.2～0.3 m，煤柱側(cè)鉆孔在頂板處開孔，鉆孔距側(cè)幫為1 m，鉆孔偏向工作面一側(cè)，具體鉆孔布置形式如表2所示，為保障鉆孔壓裂效果，鉆孔每間隔2 m實施1次壓裂作業(yè)，且保障每次壓裂時間不少于30 min。具體雙側(cè)壓裂鉆孔的布置形式如圖6所示。

在進行水力壓裂作業(yè)時，水力壓裂起裂壓力計算公式為：

Pb=3σmin-σmax+σt

(1)

式中：Pb為水力壓裂的起裂壓力，MPA；σmax、σmin分別為巖層地應(yīng)力的最大和最小主應(yīng)力,MPa；σt為巖體所受拉應(yīng)力，MPa。根據(jù)巷道的具體地質(zhì)條件，計算得出巷道所需的起裂壓力Pb=55 MPa，考慮一定的壓力損失和巷道特征，確定本次使用的高壓水泵可實現(xiàn)的最大壓力為62 MPa，泵機電壓及電功率分分別為660 V和90 kW，泵機的流量為80 L/min。

圖5 單側(cè)鉆孔布置方式示意(m)

表2 雙側(cè)鉆孔布置參數(shù)

圖6 雙側(cè)鉆孔布置方式示意(m)

在水力壓裂方案實施過程中，密切注意頂板的變化情況，若有異常情況，應(yīng)立即停止作業(yè)，排除危險后，針對壓裂區(qū)域采取補強加固措施后方可繼續(xù)施工。

3.2 效果分析

15117工作面進風(fēng)巷水力切頂卸壓方案實施后，在沿空留墻期間分別進行巷道圍巖變形量的監(jiān)測分析，分別在單側(cè)水力壓裂鉆孔區(qū)域和雙側(cè)水力壓裂鉆孔區(qū)域布置測站，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠繪制出巷道圍巖變形量與距工作面距離間的關(guān)系曲線，如圖7所示。

圖7 水力壓裂方案實施后巷道圍巖表面位移曲線

分析圖7可知，巷道頂板采用單排孔水力壓裂方案后，隨著監(jiān)測斷面與工作面逐漸縮小，巷道圍巖變形量逐漸增大，最終頂板下沉量、底板鼓起量、左幫和右?guī)鸵平康淖畲笾捣謩e為52 mm、144 mm、72 mm和15 mm，且單排孔的區(qū)域巷道整體變形量相對較小，巷道內(nèi)混凝土墻體的變形量較?。幌锏啦捎秒p排孔水力壓裂方案后，隨著監(jiān)測斷面與工作面逐漸縮小，巷道圍巖變形量逐漸增大，最終頂板下沉量、底板鼓起量、左幫和右?guī)鸵平康淖畲笾捣謩e為43 mm、107 mm、61 mm和10 mm，巷道圍巖變形量相較于單排孔布置時，圍巖變形進一步減小，水力壓裂方案對保障巷道圍巖穩(wěn)定起到較大作用。