中興煤礦1209 工作面水力壓裂留巷圍巖控制技術(shù)研究與應(yīng)用

宋 程

（山西焦煤汾西礦業(yè)中興煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 交城 030500）

1 工程概況

汾西礦業(yè)集團中興礦1209 工作面井下位于一采區(qū)北翼，工作面南部為一采區(qū)回風(fēng)巷、東部為一采區(qū)軌道大巷，西部為1211 采空區(qū)，北部為保安煤柱，工作面開采4 號煤層，煤層厚度2.2～2.5 m，平均厚度為2.35 m，煤層頂板巖層為砂質(zhì)頁巖和中細粒砂巖，底板巖層為炭質(zhì)泥巖和細粒砂巖，1209 工作面采用綜合機械化采煤方法，工作面采用沿空留巷工藝，運輸巷為沿空留巷巷道，為下工作面回采回風(fēng)使用，具體1209 工作面沿空留巷示意如圖1 所示，根據(jù)礦井以往沿空留巷經(jīng)驗可知，留巷巷道僅采用錨網(wǎng)索支護時，圍巖變形量較大，根據(jù)工作面地質(zhì)條件，擬采取水力壓裂方案以進一步加強圍巖變形控制，現(xiàn)具體進行圍巖控制技術(shù)研究分析。

圖1 1209 工作面沿空留巷示意圖

2 水力致裂對留巷圍巖的作用

為有效分析水力壓裂對沿空留巷圍巖的影響，現(xiàn)根據(jù)1209 工作面的地質(zhì)賦存情況，采用COMSOL數(shù)值模擬軟件，建立長×高= 200 m×48 m 的數(shù)值模型，模型中的各項物理力學(xué)參數(shù)均根據(jù)地質(zhì)條件進行賦值，根據(jù)眾多水力壓裂方案，結(jié)合工作面的地質(zhì)條件及留巷覆巖卸壓相關(guān)要求，本次模擬主要致裂水壓和鉆孔長度進行模擬分析，基于分析結(jié)果具體分析不同水壓和不同致裂位置時，煤巖層中壓力分布范圍、大小、裂隙分布的疏密程度及范圍[1-3]。模擬方案：①水壓參數(shù)分析：設(shè)置鉆孔φ= 60 mm，鉆孔與水平方向成45°布置，鉆孔長度為30 m，分別模擬分析鉆孔壓力為14、16、18、20、22 MPa 時留巷圍巖壓力的分布情況；②鉆孔長度模擬分析: 設(shè)置鉆孔φ=60 mm，鉆孔與水平方向成45°布置，水力壓力為22 MPa，分別對鉆孔長度分別為10、20、30 m 時圍巖內(nèi)煤巖層裂隙發(fā)育特征進行分析。

2.1 水壓參數(shù)影響

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，能夠得出不同水力壓力下達西速度場分布中流線擴散半徑與煤巖層壓力的關(guān)系曲線如圖2 所示。

圖2 不同致裂壓力下煤巖層壓力與流線擴散半徑關(guān)系圖

分析圖2 可知，隨著達西速度場流線擴散范圍的增大，煤層內(nèi)的壓力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，且隨著注水壓力的增大，煤巖層壓力減小的速度在不斷增大；對煤巖層進行水力致裂時，煤巖層內(nèi)的卸壓范圍半徑由0 增大到100 m 時，隨著注水壓力的增大，煤巖層的卸壓空間也在不斷增大，即在一定程度上注水壓力值與煤巖層的卸壓效果呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。

另外根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出不同注水壓力下煤巖層達西速度場中的流線分布如圖3 所示。

圖3 不同水壓時煤巖層達西速度場流線分布云圖

分析圖3 可知，在鉆孔傾斜方向上，隨著施加水壓的不斷增大，流線分布的密集程度在不斷增大，圖中流線的密集程度代表著煤巖層中裂隙的數(shù)量，裂隙數(shù)量的增多即表明區(qū)域卸壓效果顯著；另外從圖中能看出水流流線在煤巖層中的延伸并不是發(fā)射狀，其在某個位置收斂后會繼續(xù)延伸，這表明水力致裂存在一個最優(yōu)卸壓范圍，在圖中呈現(xiàn)為扇形分布，卸壓范圍隨著水壓的增大呈現(xiàn)緩慢增大的趨勢[4-5]。

2.2 鉆孔長度模擬

根據(jù)模擬方案可知，鉆孔長度分別為10、20、30 m 時，水力壓裂卸壓的達西速度長流線分布見圖4。

圖4 不同壓裂位置煤巖層達西速度場流線分布云圖

分析圖4 可知，隨著壓裂位置增大，煤巖層內(nèi)流線分布更為均勻，流速不斷增大，且相較于鉆孔長度為10、20 m 時，水力壓裂鉆孔長度為30 m 時，此時煤巖層中的卸壓區(qū)域更大，即更有利于煤巖的控制。

綜合上述水壓參數(shù)和壓裂位置的模擬分析結(jié)果，確定水力壓裂的壓裂水力為22 MPa，水力壓裂鉆孔參數(shù)為φ60 mm×30 000 mm，鉆孔與水平方向成45°布置。

3 沿空留巷支護方案及效果

3.1 留巷支護方案

1209 工作面運輸巷沿4 號煤層底板掘進，巷道斷面為矩形，巷道寬×高=4 800 mm×2 800 mm，根據(jù)礦井沿空留巷工程實踐經(jīng)驗及水力壓裂對沿空留巷圍巖影響的模擬結(jié)果，綜合確定1209 運輸巷沿空留巷時采用錨網(wǎng)索+ 水力壓裂+ 充填墻體+ 超前臨時支護的支護方案，具體支護參數(shù)如下：

1）巷道掘進期間的錨網(wǎng)索支護。頂板采用規(guī)格為φ22 mm×2 400 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距900 mm×1 000 mm，每排布置6 根，頂板錨索采用φ21.6 mm×8 300 mm 的1×7 股鋼絞線，錨索采用每排4 根和3 根交替布置的方式，即錨索間排距為1 000/900 mm×2 000 mm，錨桿預(yù)緊扭矩為300 N·m，錨索預(yù)緊力為150 kN；巷道兩幫采用φ22 mm×2 400 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為900 mm×1 000 mm，每排布置6 根，巷道全斷面采用金屬網(wǎng)進行護表，錨桿間采用鋼筋梯子梁連接，具體巷道掘進期間的支護方式見圖5。

圖5 運輸巷掘進期間支護斷面圖

2）水力壓裂方案。工作面回采作業(yè)時，超前工作面150 m 進行水力壓裂，設(shè)置水力壓裂鉆孔參數(shù)為φ60 mm×30 000 mm，鉆孔與水平方向成45°布置，水壓為22 MPa，壓裂鉆孔的排距為8 m，在壓裂鉆孔15～30 m 的深度處，每間隔2 m 進行1 次壓裂作業(yè)，采用倒退式壓裂方式[6]，共計進行8 次壓裂作業(yè)，壓裂的水平距離在靠近采空區(qū)墻邊的1～6.5 m范圍內(nèi)，具體壓裂方案如圖6 所示。

圖6 水力壓裂鉆孔布置平面圖

3）充填墻體支護：1209 工作面回采期間，滯后工作面10 m 開始進行充填墻體的構(gòu)筑作業(yè)，充填墻體采用C30 柔模混凝土進行構(gòu)筑，充填強度的寬度為1.2 m，高度2.8 m，構(gòu)筑作業(yè)時2 m 為一個模塊，墻體上采用φ20 mm×1 300 mm 的高強螺紋鋼對墻體進行補強支護，錨栓間排距750 mm×1 000 mm，預(yù)緊扭矩150 N·m。

4）超前臨時支護：在超前工作面30 m 的范圍內(nèi)采用“一梁三柱”臨時支護，一梁采用長度為3.6 m的π 型梁配合3.6 m 的單體支柱進行支護，單體支柱的間距為1 600 mm，排距為800 mm。

3.2 效果分析

1209 工作面運輸巷沿空留巷期間，為有效對比分析巷道采用水力壓裂方案前后的圍巖變形情況，分別在留巷采用水力壓裂段和未采用水力壓裂段進行圍巖變形量的觀測分析，根據(jù)觀測結(jié)果，現(xiàn)具體以工作面回采推進通過圍巖觀測點280 m 時圍巖變形的最終狀態(tài)進行對比分析，具體圍巖變形量對比柱狀圖如圖7 所示。

圖7 未采取水力壓裂和水力壓裂實施后圍巖變形對比柱狀圖

根據(jù)現(xiàn)場工程實踐結(jié)合圖7 可知，1209 工作面沿空留巷期間，巷道圍巖的變形量在不斷增大，其中未采用水力壓裂段的圍巖變形速率較大，而采取水力壓裂方案后的留巷圍巖變形速率較小。留巷未采用水力壓裂方案時，工作面推進通過圍巖觀測點280 m 時，此時圍巖頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笞冃瘟糠謩e為1 080 mm 和163 mm；而留巷采用水力壓裂方案后，頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟康淖畲笾捣謩e為500 mm和41 mm，降幅分別為53.7%和74.8%。另外從工程現(xiàn)場觀測能夠看出，巷道在未采用水力壓裂時，頂板巖層明顯下沉，超前臨時支護的π 型鋼明顯出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，而留巷采用水力壓裂方案后，工作面回采期間，π 型鋼無彎曲現(xiàn)象。據(jù)此可知，留巷在錨網(wǎng)索+水力壓裂+充填墻體+超前臨時支護的支護方案下，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié) 論

根據(jù)1209 工作面沿空留巷的特征，采用數(shù)值模擬軟件進行水力致裂對留巷圍巖的作用模擬分析，基于模擬結(jié)果確定水力致裂能有效增大留巷圍巖的卸壓范圍，利于圍巖控制，確定水力壓裂鉆孔及水壓參數(shù)，結(jié)合巷道特征，設(shè)計巷道采用錨網(wǎng)索+水力壓裂+充填墻體+超前臨時支護，根據(jù)圍巖變形分析可知，留巷在現(xiàn)有支護方案下圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。