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      寺家莊礦水力壓裂切頂卸壓技術(shù)研究

      2021-12-14 06:50:18席冰冰
      山東煤炭科技 2021年11期
      關(guān)鍵詞:巖塊裂孔煤體

      席冰冰

      (華陽新材料科技集團(tuán)有限公司,山西 陽泉 045000)

      1 工程概況

      陽泉煤業(yè)寺家莊煤礦為典型的高瓦斯礦井,主采的15#煤層厚度在3.5~9.4 m 之間,平均厚5.29 m,煤層傾角在1°~20°,平均5°,賦存穩(wěn)定。煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,一般含矸2~3 層。直接頂為平均厚3.10 m 的砂質(zhì)泥巖,基本頂為均厚6.80 m 的細(xì)砂巖,直接底為均厚3.08 m 的砂質(zhì)泥巖,基本底為均厚6.59 m 的粉砂巖。煤層綜合柱狀圖如圖1。

      圖1 煤層綜合柱狀圖

      由于15#煤層上覆頂板巖層厚度較大,且硬度較大,工作面回采后采空區(qū)頂板巖層易形成大面積懸頂,而且15#煤層所處區(qū)域地應(yīng)力較大,工作面回采期間,回采巷道在高地應(yīng)力作用下,產(chǎn)生大變形。由于寺家莊煤礦為突出礦井,提出采用水力壓裂的方法,迫使采空區(qū)頂板巖層及時(shí)垮落,同時(shí)改善回采巷道力學(xué)環(huán)境,減小巷道變形[1-2]。

      2 水力壓裂切頂卸壓方案設(shè)計(jì)

      2.1 水力壓裂孔參數(shù)

      以15110 工作面為工程背景,根據(jù)15110 工作面煤層賦存特點(diǎn)及采煤工藝流程,在工作面回采過程中,基本頂巖層斷裂后,斷裂巖塊結(jié)構(gòu)如圖2。

      圖2 老頂巖層斷裂巖塊結(jié)構(gòu)示意圖

      如圖2 所示,基本頂巖層破斷后采場(chǎng)上方形成關(guān)鍵巖塊A、B、C,其中巖塊B 的一端落在采空區(qū),另一端落在區(qū)段保護(hù)煤柱上,其重量基本由區(qū)段煤柱承擔(dān)。在工作面回采過程中,采場(chǎng)上覆關(guān)鍵巖塊失穩(wěn)-穩(wěn)定-再失穩(wěn)-再穩(wěn)定的過程導(dǎo)致了工作面周期來壓。當(dāng)采場(chǎng)上覆關(guān)鍵巖塊B 厚度越大,長(zhǎng)度越長(zhǎng)時(shí),對(duì)區(qū)段保護(hù)煤柱產(chǎn)生的荷載也越大,從而引起巷道大變形。水力壓裂切頂卸壓的原理就是切斷采場(chǎng)上覆關(guān)鍵巖塊B 的長(zhǎng)度,從而減小區(qū)段保護(hù)煤柱荷載,改善巷道圍巖所處力學(xué)環(huán)境,減小巷道變形量[3-4]。因此,確定關(guān)鍵巖塊B 的長(zhǎng)度是設(shè)計(jì)水力壓裂孔參數(shù)的前提條件。巖塊B 的長(zhǎng)度由式(1)計(jì)算:

      式中:LB為關(guān)鍵巖塊B 的長(zhǎng)度,m;mr為關(guān)鍵巖塊厚度,m;q為巖塊B 所受上覆巖層的荷載,MPa;RT為關(guān)鍵巖塊抗拉強(qiáng)度,MPa。

      將15110 工作面現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)代入上式,計(jì)算可得LB=23.86 m。因此,水力壓裂的水平長(zhǎng)度應(yīng)不小于23.86 m。

      工作面回采后,采場(chǎng)上覆巖層垮落帶高度計(jì)算公式為:

      式中:h為垮落帶高度,m;M為采高,m;K為頂板巖層碎脹系數(shù),取1.33。

      15110 工作面采高4.5~5.5 m,以最大采高5.5 m 計(jì)算可得h=16.67 m。

      根據(jù)15110 工作面鉆孔資料顯示,15#煤層上覆16.67 m 范圍內(nèi)的巖層分別為3.10 m 的砂質(zhì)泥巖、3.91 m的粉砂巖、6.8 m的細(xì)砂巖和2.33 m的粉砂巖。采場(chǎng)上方垮落帶范圍以外,對(duì)采場(chǎng)產(chǎn)生影響的巖層依次為3.09 m 的細(xì)砂巖、4.64 m 的石灰?guī)r、1.56 m的泥巖、3.35 m 的砂質(zhì)泥巖、2.75 m 的粉砂巖和5.23 m 的細(xì)砂巖,其中最上方的細(xì)砂巖厚度大,強(qiáng)度大,且距離工作面較遠(yuǎn),可以認(rèn)為這層細(xì)砂巖可以承擔(dān)上覆巖層的荷載而不發(fā)生破斷,因此,水力壓裂的高度應(yīng)以壓裂2.75 m 的粉砂巖為準(zhǔn)。

      綜合考慮15110 工作面地質(zhì)條件及施工設(shè)備,以上述分析結(jié)果為依據(jù),水力壓裂方案如圖3,每隔10 m 設(shè)置一個(gè)水力壓裂孔。

      圖3 水力壓裂孔參數(shù)

      2.2 水力壓裂工藝流程

      考慮到15110 回風(fēng)巷機(jī)械設(shè)備較少,因此在15110 回風(fēng)巷選擇400 m 試驗(yàn)段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?;仫L(fēng)巷頂板巖層水力壓裂如圖4。

      圖4 冒頂治理前后工作面支架工作阻力監(jiān)測(cè)值

      圖4 頂板巖層水力壓裂

      施工流程如下:

      安置封孔器→接注水管→連接高壓水泵→對(duì)封孔器加壓→注水壓裂(注水30 min 或者相鄰水力壓裂孔有出水現(xiàn)象即可停止注水壓裂)→封孔器卸壓→對(duì)注水孔下一段進(jìn)行注水壓裂→直到注水孔壓裂段全部壓裂→循環(huán)上述過程對(duì)下一水力壓裂孔進(jìn)行注水壓裂。

      3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

      3.1 現(xiàn)場(chǎng)施工

      在15110 回風(fēng)巷采用后退式進(jìn)行單孔壓裂,每隔2~3 m 進(jìn)行一次水力壓裂。為保證壓裂效果,可借助窺視儀窺視結(jié)果對(duì)水力壓裂的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整,單孔水力壓裂次數(shù)保持在10~13 次,在距離孔口處13 m位置停止水力壓裂。在水力壓裂過程中,如果頂板發(fā)出異常聲響或者有大面積出水現(xiàn)象,需及時(shí)停止水力壓裂作業(yè)。在水力壓裂過程中,可借助窺視儀觀察水力壓裂效果,并根據(jù)窺視結(jié)果掌握頂板巖層變化情況,及時(shí)對(duì)水力壓裂孔參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

      3.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

      為了解水力壓裂效果,對(duì)15110 回風(fēng)巷巷道圍巖變形及煤體應(yīng)力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。在距離開切眼200 m及300 m 位置布置兩個(gè)綜合測(cè)站,用于監(jiān)測(cè)巷道圍巖變形及煤體應(yīng)力。采用十字布點(diǎn)法對(duì)巷道圍巖變形進(jìn)行測(cè)量,在采幫側(cè)分別打3 m、6 m、9 m、12 m 深的鉆孔進(jìn)行煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)?,F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線如圖5。

      圖5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線

      如圖5(a)和5(b),工作面回采期間,兩個(gè)測(cè)點(diǎn)頂板下沉量最大值分別為52 mm 和66 mm,底鼓量最大值分別為144 mm 和72 mm,兩幫移近量最大值分別為165 mm 和175 mm?,F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,對(duì)頂板巖層進(jìn)行水力壓裂后,巷道圍巖變形量較小,可以滿足現(xiàn)場(chǎng)的安全生產(chǎn)需求。

      如圖5(c)所示,3 m 深鉆孔應(yīng)力計(jì)初始數(shù)值為7.7 MPa,在工作面回采過程中,應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)值在小范圍內(nèi)波動(dòng),變化不大。6 m 深鉆孔應(yīng)力計(jì)初始數(shù)值為10 MPa,工作面回采過程中,應(yīng)力值基本保持穩(wěn)定,直到距離工作面62 m 范圍以內(nèi)時(shí),應(yīng)力值開始減小,最終應(yīng)力值減小到6.2 MPa。9 m 深鉆孔應(yīng)力計(jì)初始數(shù)值為10 MPa,在工作面回采過程中,呈波動(dòng)狀緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì),直到距工作面19 m位置達(dá)到最大值12.4 MPa,之后應(yīng)力值開始降低,表明此時(shí)煤體已經(jīng)處于破壞狀態(tài)。隨著工作面推進(jìn),煤體破壞越來越大,應(yīng)力值也逐漸降低。12 m 深孔應(yīng)力計(jì)初始數(shù)值為7.6 MPa,隨著工作面的推進(jìn)緩慢增大,在距工作面16 m 位置達(dá)到最大值為9.4 MPa,之后應(yīng)力值開始降低,表明在距離工作面16 m 時(shí),煤體開始發(fā)生破壞。如圖5(d)所示,3 m 深鉆孔應(yīng)力計(jì)初始數(shù)值為9.1 MPa,在工作面回采過程中,應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)值在小范圍內(nèi)波動(dòng),在距離工作面20 m 時(shí),應(yīng)力值開始降低,表明此時(shí)煤體發(fā)生破壞,超前支護(hù)范圍20 m 是合理的。6 m 深鉆孔應(yīng)力計(jì)初始數(shù)值為9.8 MPa,工作面回采過程中,應(yīng)力值基本保持穩(wěn)定,直到距離工作面26 m 時(shí),應(yīng)力值達(dá)到最大值10.5 m,之后開始減小。9 m 深鉆孔應(yīng)力計(jì)初始數(shù)值為9.2 MPa,在工作面回采過程中,呈波動(dòng)狀緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)。12 m 深孔應(yīng)力計(jì)初始數(shù)值為10 MPa,隨著工作面的推進(jìn)緩慢增大,在距離工作面23 m 位置達(dá)到最大值12 MPa,之后應(yīng)力值開始降低,表明煤體開始發(fā)生破壞,但仍然具有一定的承載力。

      4 結(jié)語

      以15110 工作面為工程背景,通過理論分析、工程對(duì)比,確定15110 回風(fēng)巷頂板巖層水力壓裂深度為壓裂垂直距離工作面31.5 m 的粉砂巖為準(zhǔn),綜合考慮鉆孔設(shè)備,水力壓裂孔與垂直方向夾角為50°。在15110 工作面選擇400 m 試驗(yàn)段,并在距離工作面100 m 和200 m 位置布置兩個(gè)測(cè)站用于監(jiān)測(cè)巷道圍巖變形量及煤體應(yīng)力變化?,F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示:兩個(gè)測(cè)點(diǎn)頂板下沉量最大值分別為52 mm 和66 mm,底鼓量最大值分別為144 mm 和72 mm,兩幫移近量最大值分別為165 mm 和175 mm,且煤體并無明顯應(yīng)力集中區(qū)域,切頂卸壓效果良好。

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