東溝煤礦143工作面端頭懸頂水壓預裂試驗*

劉慶林，劉文崗，2，余 杰，董 浩，吳 越，張 沛

(1.北京天地華泰礦業管理股份有限公司，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 應急科學研究院，北京 100013；3.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054)

0 引言

進入21世紀以來，隨著國家對西部煤炭資源的大力開發，新疆的現代化礦井投資與建設已成為我國煤炭重點工程[1]。在高強度地開采過程中，由于煤層上覆基巖厚度與硬度均較大，許多礦井出現了下隅角頂板大面積懸頂的情況，加之有些礦井工作面上部鄰近含積水、有害氣體的老窯巷道，易引起頂板災害與礦井透水等系列重大安全事故。因此，開展預防頂板懸頂、瓦斯涌出、礦井透水等研究工作極其必要。

針對工作面端頭頂板大面積懸頂的問題，我國相關領域的專家與學者們進行了大量專項研究。黃炳香等[2]通過水壓預裂技術，提出了針對工作面開采過程中頂板難垮落、瓦斯頻繁涌出、巷道變形嚴重等問題的系列控制措施。鄧廣哲等[3]以陜北淺埋煤層開采為研究背景，通過數值計算、力學分析等綜合手段，研究了頂板預裂時裂隙發育與應力變化的規律，建立了裂隙擴展與應力演化的物理力學模型，提出了系列預裂堅硬頂板的方案。王慧林等[4]為解決因堅硬頂板大面積突然垮落而使得采空區瓦斯涌出超限的難題，采用水壓致裂技術對工作面巷道進行長距離的鉆孔壓裂試驗，基于技術方案實施后的多次安全監控，驗證了該方案的可行性。陳佩東[5]針對神東某煤礦頂板堅硬且塊度大，在該煤礦首采面放頂時，應用了水壓預裂技術，使得堅硬頂板及時垮落，試驗效果理想。高李王[6]通過合理布置壓裂鉆孔位置，對有效致裂煤層頂板起到了顯著作用。使得老頂初次來壓步距與周期來壓步距大幅度縮減，同時懸頂現象不明顯。王俊峰[7]通過在工作面兩巷超前段位置實施水壓鉆孔致裂技術，有效地化解了煤層頂板懸頂難垮與工作面高效開采之間的矛盾。劉宏鵬[8]應用水壓預裂技術，針對煤層群聯合開采條件下，下層煤上部采空區留設的區段煤柱進行水壓預裂鉆孔布置，避免了下層煤回采過程中區段煤柱的應力二次疊加現象，從而可為工作面安全、高效地回采作保障。吳劍楊[9]使用水壓致裂的技術，通過在工作面巷道實施壓裂鉆孔布置，對煤層的堅硬頂板進行有效壓裂，使得工作面頂板能在有序推進過程中垮落，回風巷道的頂板懸頂問題得到很好解決，揭示了克服瓦斯涌出異常的壓裂機理。于斌等[10]通過對工作面開采過程中礦山壓力顯現規律以及相關參數的監測與計算，提出了水壓致裂頂板的方案，實現了理想的試驗效果。馮彥軍等[11]基于對水壓預裂鉆孔周圍壓力變化的探測，發現了煤層頂板懸頂鉆孔預裂的特點，提出了水壓致裂可定向預制切口，能降低頂板裂隙擴展的水壓值。上述研究雖從水壓預裂技術的不同角度提出了各種治理懸頂措施，但均未分步模擬鉆孔圍巖注壓起裂的全過程以及壓裂期間最大主應力的分布變化規律，從而結合現場布置方案的壓裂試驗能明確量化壓裂孔的實際影響圓半徑。

為此，針對東溝煤礦B4-2煤層143綜采面頂板堅硬、礦井水文地質條件復雜等問題，采用RFPA2D-Flow軟件來建立143工作面端頭懸頂鉆孔壓裂數值模型，本構關系依據Mohr-Coulomb準則，以期得出水壓預裂的影響半徑。通過對143工作面兩巷的鉆孔試驗對數值模擬結果進行驗證，以期為類似礦井的安全、高效開采提供現實依據。

1 工程概況

該礦主要開采B4-2煤層，其賦存結構簡單，硬度系數大。煤層平均厚度3.1 m。偽頂厚度0.6 m，主要巖性為炭質泥巖；直接頂平均厚度4.7 m，主要巖性為粉砂巖；老頂平均厚度7.5 m，主要巖性為粗砂巖；煤層底板平均厚度3.4 m，巖性為粉砂巖與泥巖互層；其下為B3煤層，平均厚度2.7 m。

143工作面位于井田的西部，其北部相鄰145工作面，南部緊鄰141已采工作面，礦井軌道上山與帶式輸送機運輸上山位于143采面東部。工作面地表為山地，山體表面多為第四系堆積物，工作面與地表高差140 m以上，地面無積水區、無河流、無建筑物，煤系地層物理力學參數見表1。

表1 煤系地層力學參數

2 143工作面端頭懸頂水壓預裂試驗

2.1 水壓預裂鉆孔布置方案設計

運輸順槽跨煤柱垂直順槽鉆孔布置：根據水壓預裂理論、最大拉應力準則及143工作面頂板巖層結構、巖層厚度、巖性、采高、煤柱寬度(25 m)及三帶垮落高度等，得出鉆孔設計參數。①在145回風巷道向143運輸巷道頂板上方施工跨煤柱壓裂鉆孔，壓裂鉆孔A(A1～A10，共10個)，水壓預裂鉆孔傾向布置如圖1所示；②鉆孔A1、A2、A3位于架后，鉆孔A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10位于超前段，如圖2所示；③鉆孔A開口位置距離底板2.2 m處；④鉆孔進尺總計36.34 m×10=363.4 m，鉆孔長度36.34 m，傾角為38°，A孔具體參數如圖3所示；⑤鉆孔采用56 mm鉆頭，鉆桿采用42 mm鉆桿。

圖1 水壓預裂鉆孔傾向布置

圖2 水壓預裂鉆孔走向布置

圖3 A孔參數示意

回風順槽平行順槽鉆孔布置：根據水壓預裂理論、最大拉應力準則及143工作面頂板巖層結構、巖層厚度、巖性及采高等，提出鉆孔設計參數。①沿143回風巷道向143回風上隅角施工壓裂鉆孔H，鉆孔H開孔位置在143回風順槽超前支架第1個超前小支架前沿，距離工作面煤壁21 m處；②鉆孔H進尺為29.53 m×1=29.53 m，鉆孔長度29.53 m，傾角28.11°，具體如圖4所示；③鉆孔采用56 mm鉆頭，鉆桿采用42 mm鉆桿。

圖4 H孔參數示意

2.2 143工作面端頭懸頂水壓預裂方案技術參數

壓裂壓力：根據水壓預裂理論計算以及水壓預裂技術在其他礦區的工程應用經驗，本次水壓預裂壓力約為11.5～35 MPa。

壓裂段數：壓裂段數根據壓裂擴展半徑、端頭壓裂目標及巖層厚度確定，從鉆孔底部逐步向孔口壓裂，壓裂間隔4.5 m，壓裂段數兩次。

壓裂時間：工作面后方鉆孔及超前高位鉆孔單次壓裂時間約為25～30 min，超前段低位鉆孔壓裂時間控制為10～15 min。

壓裂鉆孔封孔：為防止采空區漏風、有毒有害氣體外泄。壓裂結束后，要及時對壓裂鉆孔進行封孔，采用“兩堵一注”帶壓封孔法，即先在鉆孔的兩端用袋裝聚氨酯進行封堵，待發泡封孔袋、膨脹并凝結后，再通過注漿管對兩端聚氨酯封堵段之間的鉆孔段進行注漿，在注漿壓力的作用下，漿液向鉆孔壁滲透并填充鉆孔周圍裂縫。施工前提前注備好封孔材料運至現場，包括封孔泵、注漿管、水泥、聚氨酯等。封孔長度不得小于8 m(兩頭聚氨酯封孔各2 m，中部水泥漿4 m)。

封孔步驟：安裝注漿管→聚氨酯封孔→注水泥漿→關閉注漿管閥門→封孔結束。

3 水壓預裂數值模擬

3.1 模型設計

建立模型：針對該礦143工作面的實際情況，來建立端頭懸頂鉆孔水壓預裂數值模型。模型采用二維平面應力模型，模擬走向長度40 m，高度18 m，模型從下至上依次為B4-2煤層、直接頂、老頂，中心壓裂孔位于老頂中心，設直徑113 mm。模型如圖5所示，共劃分72 000個單元。

圖5 水壓預裂模型

模型參數：根據現場測量結果可知，B4-2煤層上覆巖層垂直應力20 MPa左右，其測壓系數約1.4。故可在模型頂面加載約20 MPa的載荷來模擬煤層老頂的上覆巖重，由于測壓系數為1.4，可設定模型的水平應力為28 MPa。邊界條件設定為：兩端水平約束，可垂直移動；底端固定約束，位移為零。本模擬采用均質度系數a表示煤層與巖樣材料的均質度，并通過材料實際強度與a的相關度，對本次模型輸入相應力學參數。本次模型所測得力學相關參數見表2。材料性質按Weibull分布來賦值，本構關系依據Mohr-Coulomb準則。壓裂鉆孔采用圓形孔洞表示，布置在本次模型的中心位置，設定第1步即可開挖結束；注水壓力加載的初始值取10 MPa，單步增量值為0.2 MPa，分步加載至老頂破裂為止。

表2 頂板力學及滲流參數表

3.2 壓裂孔圍巖應力分布規律

模擬結果：如圖6所示，分別為Step-10、Step-40、Step-70、Step-100、Step-130及Step-160的剪應力分布云圖，各單元的亮度來表示其所受應力值大小，即灰度越深表示其所受應力值越?。辉矫髁羷t表示其所受應力值越大。

圖6 不同時期水壓預裂應力云圖

結果分析：①由Step-10可知，壓裂開始時，壓裂孔附近圍巖應力均衡分布，未出現應力集中；由于壓裂孔開挖，致使孔周圍出現塑性破壞區和彈性變化區，故圍巖應力開始降低，逐漸形成弱面。②由Step-40可知，由于水壓值的增加，水流會滲入鉆孔內壁的弱面中，使得鉆孔圍巖應力迅速集中，其兩側顯現一條亮斜帶；此時鉆孔圍巖發生破壞，但未出現明顯的裂縫。③由Step-70可知，此時水壓已經達到24 MPa，孔壁周圍弱面開始起裂，產生了一些微裂隙，形成了一個“十字”交叉型裂隙。壓增區會擴展至平衡區內，致使鉆孔周圍的壓降區范圍擴大。與此同時，由于主裂隙的擴展，引起二次裂隙逐漸發育，基于材料的均質度較大，故二次裂隙出現的位置不能精準預判。隨著裂隙不斷擴展，壓裂孔周圍的壓增區也開始向圍巖深部擴大，而孔附近形成了壓降帶。④由Step-100可知，形成了明顯的水壓預裂裂隙，主要有4條水壓預裂裂隙，壓裂孔周圍的壓增區繼續擴大，壓降帶范圍隨之增加。⑤由Step-130可知，裂隙得到有效的擴展，壓力上升卻未破壞。此時明顯可看出，已形成的裂隙中外圍有零星的破裂點，但未有貫穿裂隙。⑥由Step-160可知，形成一個“十字”型裂隙，壓力為42 MPa，隨著裂隙進一步的擴展，壓裂孔上偏約15°方向出現了最長裂隙，長度為22 m，同時壓裂孔一側裂隙長度為11 m，與其垂直方向形成了一條較短裂隙，長度為14 m。

水壓預裂的影響半徑范圍：壓裂區域內，可有效形成壓降區。從巖體的破裂范圍及破裂程度上來看，壓裂孔附近區域的巖體要優于遠離壓裂孔區域的巖層，故水壓預裂的影響半徑范圍為7～10 m。

3.3 壓裂孔最大主應力分布規律

模擬結果：如圖7所示，為壓裂孔中心線位置的主應力變化曲線圖。其中水平距離x與應力值y組成二維平面坐標，壓裂孔范圍x=15～35 m，孔中心x=25 m，如圖中灰色矩形塊所示，監測壓裂孔x范圍的主應力變化規律。

結果分析：由圖7可得，水壓預裂不同階段主應力變化趨勢大體一致，具體表現為壓裂孔附近圍巖形成壓降區，其兩側為壓增區，平衡區則處于最外側范圍。同時，揭示出不同階段增壓區域的應力峰值各不相同。①水壓預裂孔兩側應力峰值大小相差不大。如水壓預裂初始階段，應力峰值最大，最大值接近30 MPa，水壓預裂孔孔兩側應力峰值呈逐漸減小趨勢，待壓裂完成后，兩側應力集中區域的應力峰值最小，約18 MPa。②水壓預裂孔壓降區范圍隨著注水壓力增加而擴大。如：水壓預裂初始階段(即Step-10至Step-40)，壓裂孔周圍20 m范圍內，最低應力2.5 MPa，最高7 MPa。由于壓裂開始并未產生裂隙，故壓降區不明顯；水壓預裂中期(即Step-70至Step-100)，形成了較小范圍壓降區，此時壓裂鉆孔圍巖20 m范圍內，應力明顯降低，最高應力4.8 MPa，最低應力0 MPa；水壓預裂后期(即Step-130至Step-160)，壓裂孔周圍形成了較大范圍壓降區，在壓裂孔周圍20 m范圍內，應力全部為0 MPa，表明在此區域內，產生了裂隙致使壓力驟降。

圖7 不同時期壓裂孔周圍應力云圖

壓降區、壓增區和平衡區劃分：通過對巖層進行水壓預裂，破壞了原巖應力平衡狀態，造成了壓裂孔附近區域圍巖的應力峰值大幅度降低，從而形成壓降區。同時壓降區附近圍巖的應力峰值升高，形成了壓增區。故依據壓裂后圍巖的應力變化特點，將壓裂孔附近圍巖由近及遠劃為壓降區、壓增區和平衡區。如圖8所示，基于模擬結果中應力集中程度的演化規律，可得其應力分布示意圖。即以壓裂孔為圓心，虛線圈表示本次實際影響半徑，半徑10 m的Ⅰ表示壓降區；10～15 m的Ⅱ表示壓增區；15 m外的Ⅲ表示平衡區。

圖8 壓裂孔圍巖應力分布示意

4 水壓預裂鉆孔

4.1 設計原則及鉆孔布置

設計原則：根據水壓預裂力學準則，結合143工作面老頂的巖性、塊度及開采條件等確定設計原則。①基于工作面水壓預裂工程經驗，并匹配原有設備的壓裂能力，故壓裂鉆孔間距為10 m；②通過分析地質資料，該工作面上覆基巖層的直接頂破碎，屬良好滲透層，不利于壓裂，故壓裂層位應避免；③工作面老頂厚度7.5 m左右，整體強度高，塊度大，故屬重點壓裂區域。

水壓預裂鉆孔布置：①在145回風巷道向143運輸巷道頂板上方施工跨煤柱壓裂鉆孔。鉆孔A(A1-A5)和鉆孔B(B1-B5)，計劃將A、B鉆孔交替垂直于巷道幫部布置，如圖9所示；②鉆孔A1、B1、A2、B2、A3位于架后，鉆孔B3、A4、B4、A5、B5位于超前段；③鉆孔A和鉆孔B開口位置距離底板3.1 m處，鉆孔進尺總計：181.7 m(5個A孔)+166.5 m(5個B孔)=348.2 m。

圖9 壓裂鉆孔布置示意

4.2 鉆孔壓裂試驗結果

根據水壓預裂理論計算以及水壓預裂技術工程應用經驗，估算本次水壓預裂壓力約20～46 MPa。孔底至孔口依次壓裂，壓裂間隔3.5～5 m，平均壓裂兩次；超前高位鉆孔單次壓裂時間約22 min，低位鉆孔單次壓裂時間約13 min。其壓力監測結果如圖10所示。基于143工作面老頂現場試驗結果，發現水壓預裂能對老頂高效率壓裂，其高壓水可擴展至臨近位置鉆孔，影響區域為以壓裂孔為圓心的6～10 m半徑范圍。其試驗結果與模擬數據吻合，故取水力裂縫的擴展半徑為6 m，裂縫可實現有效貫通。

圖10 水壓預裂壓力監測

5 結論

(1)應用RFPA2D-Flow數值計算軟件，建立了鉆孔水壓預裂模型。數值模擬表明，當注水壓力達到24 MPa時，巖層開始起裂，隨后壓裂裂隙向巖體深部呈“十字”型擴展，在壓裂結束后，裂隙延伸擴展長度可達到7～10 m左右；水壓預裂影響范圍半徑可達10 m。

(2)設計實施了平行順槽巷道和跨煤柱垂直順槽兩種鉆孔設計及其優化方案，試驗獲得了懸頂水壓預裂技術壓裂壓力、壓裂時間等關鍵參數，并驗證了數值模擬的合理性。試驗表明，端頭懸頂走向長度從27～30 m降為5～8 m，傾向寬度從10～15 m降為2～5 m；工作面上隅角瓦斯控制在0.3%左右。