定向水力壓裂切頂卸壓技術研究及應用

張廣杰， 程志斌， 丁坤朋

（河南理工大學河南理工產業技術研究院，河南焦作454003）

高瓦斯礦井工作面通常有回采巷道和瓦斯排放巷道，瓦排巷處本工作面專用外，還為下個工作面服務；因該巷會受兩次回采動壓的影響，造成巷道破壞變形嚴重，引起維護成本增加[1]。當前主要是經加強支護來維護，還采取在頂板預裂卸壓，使留巷與采空區頂板失去應力聯系，起到提前釋放壓力的效果[2]。礦井在實施沿空留巷時，通常采用爆破預裂、水力壓裂等技術[3-5]；而水力壓裂技術可起到人工強制預裂的效果，高瓦斯礦井采用該技術安全性較高，實施比較方便。因此礦井實施卸壓時采用水力壓裂的方式較普遍。

許多專家學者對水力壓裂切頂卸壓技術作了大量研究工作，馮彥軍[6]、李武軍[7]、于斌[8]、吳擁政[9]等基于礦井堅硬難垮、特殊條件引起巷道變形大的問題，對水力壓裂切頂卸壓技術原理、關鍵參數的確定等作了研究，現場應用效果較好；葛兆龍[10]、黃飛[11]等分別對壓裂封孔、水頭壓力對頂板受力問題作了研究，康紅普等[12]對近年關于水力壓裂技術的研究作了綜述分析。

山西某礦8118 工作面瓦排巷因受堅硬頂板的影響出現圍巖收縮、底鼓及片幫等問題，為確保該巷正常使用，擬運用水力壓裂的手段對頂板作卸壓處理，并提出相應的壓裂工藝參數，為類似情況下實施水力壓裂技術提供借鑒。

1 工程概況

8118 工作面所采煤層為8號煤，其煤厚約3 m；直接頂是6.35m厚泥巖，呈黑色且局部區域是砂質泥巖，基本頂是7.31m厚細粒砂巖，呈灰白色且內部夾有煤線。工作面埋深約467 m；礦井相對、絕對瓦斯涌出量分別為13.22 m3/t、36.72 m3/min，煤塵是有爆炸傾向性的。工作面走向長2170 m，傾斜長200 m，如圖1 所示。

圖1 工作面布置平面圖

8118 瓦排巷在工作面推進結束后，當作相鄰工作面的回采巷道。在本工作面回采期間，該巷發生嚴重變形，對其正常通風造成不利影響，安全性降低。為確保瓦排巷完整，擬運用定向水力壓裂切頂卸壓技術對頂板作卸壓處理，切斷煤層上方堅硬巖層。根據以上問題，研究該技術具有重要意義。

2 定向水力壓裂切頂卸壓技術研究

2.1 技術原理

隨工作面推進，采空區頂板暴露范圍不斷擴大，其頂板巖層將出現冒落；但采空區頂板巖層較完整、厚度較大、堅硬時，冒落會被擱置一定的時間，在采空區上方將形成不穩定的殘留邊界；沿空巷道圍巖變形大、長期無法穩定主要是堅硬厚頂板懸頂時間長或煤柱上方殘留邊界所引起的。因此需切斷煤柱上方懸頂結構。水力壓裂的實質是將煤巖體內部的裂隙受到外部給予高壓水的沖擊力下出現開裂并擴展的過程。定向水力壓裂則是在壓裂區域預先設定一定方向的裂縫，使高壓水沿該方向進行壓裂，煤巖體內裂隙或裂紋擴展的方向得以控制，該手段可較好的控制堅硬頂板；使堅硬頂板的強度得以變弱，工作面推過后采空區上覆堅硬巖層能及時、較容易的垮塌[13-14]。

因此，定向水力壓裂切頂卸壓原理是在煤巖層中進行施工鉆孔并形成切槽，該處受高壓水的影響下消除或減弱采空區側堅硬基本頂形成的懸臂結構，將煤柱上方堅硬巖層切斷，使懸臂結構及時垮塌，將會更好地填實采空區，采空區承擔的載荷也會增大，減小煤柱和實體煤的受力載荷，改變應力轉移使留巷受力狀態得以改善，留巷變形得以抑制。

2.2 切頂卸壓力學分析

切頂卸壓不僅使頂板破碎后碎脹系數變大，切頂后頂板的碎脹程度要大于自然垮落碎脹程度，采空區被充填的高度變大，增加覆巖的支承能力，與實體煤側一起形成簡支梁的結構，減弱對留巷的影響；且切頂還能縮短頂板懸臂梁長度，避免應力三角區出現。直接頂垮落后的碎脹系數1.3～1.5。切頂的關鍵是讓巖石易垮落且塊度適中，碎脹系數增加，合理的切頂高度可讓垮落的矸石填滿采空區，其覆巖運動對留巷受動壓作用較小[15]。因此切頂的碎脹性對留巷頂板管理比較重要。

未切頂巷道其圍巖壓力要比切頂后的壓力大，表現在窄煤柱、煤壁側煤體內的垂直應力，巷道切頂前后其覆巖結構見圖2。圖2-1 為未切頂巷道覆巖結構，煤柱側受頂板結構重力FG和懸臂梁結構壓力F壓的雙重作用，F壓是以煤柱為支點出現向上的扭轉力，出現對煤柱造成影響的推力F 推，因此未切頂的巷道幫部受頂板壓力、扭轉力的影響出現水平推力導致變形大、支護難[16]。圖2-2 為切頂后巷道覆巖結構形成，切頂后的頂板被水力壓裂預裂，切斷懸臂梁結構，幫部僅受FG影響，因此巷道變形不明顯。

圖2 切頂與未切頂巷道頂板結構

3 工業性試驗

3.1 鉆孔位置及參數選擇

結合現場實際情況，定向水力壓裂試驗在8118工作面超前200m內，壓裂鉆孔布置回風巷中，在頂板中線垂直頂板、靠近煤柱側與水平面夾角50°布置鉆孔。采用橫向切槽技術對鉆孔實施切槽，方向與鉆孔是垂直關系，如圖3 所示，切槽方向則是實施壓裂預先設定的方向。

圖3 壓裂鉆孔布置示意

壓裂試驗段長度150 m，布置12 排壓裂鉆孔，間距2.5 m，排距10 m。結合該礦實際情況及巷道覆巖結構，確定如下關鍵參數：鉆孔直徑56 mm，靠近煤柱側孔深23 m，頂板中部孔深17 m，孔內開槽先從孔內最里位置開槽，由內向外逐步實施，垂直孔開5個槽，傾斜孔開6個槽，其中首個槽距離孔底2 m，槽間距離3 m。

3.2 壓裂工藝與過程

研究表明，在實施水力壓裂試驗時應將裂隙擴展路徑、液體發生滲流流失等特殊情況加以考慮[17]。據礦井實際狀況和以往工程經驗，采用高壓注水泵，其壓力需達到65 MPa，流量達到85 L/min。施工工藝及過程如下：

1）將封孔器進行連接安裝，通過排氣、試驗等手段檢查是否完好可用。把手壓泵、高壓膠管、封孔器及儲能器等快速連在一起，其連接處需使用專用密封圈對其密封，確保封孔器不漏氣，再在高壓膠管和注水鋼管連接處裝上水壓儀，以便實時監測水壓讀數，并進行記錄。

2）待壓裂設備連接調試等準備工作結束后，利用注水鋼管把封孔器放入鉆孔預設處，注水壓裂先從鉆孔最深部的切槽處開始，逐次向外進行。將封孔器送入預定位置后，通過手壓泵加壓使封孔器開始膨脹，壓力表為15 MPa 時停止加壓，讀數若不再變形說明封孔成功，反之則要進行檢查處理直至封孔器達標為止。

3）打開水壓儀，查看是否能正常運行，對高壓水泵依次注水、通電，加壓需緩慢進行，此時將高壓水泵、手壓泵的壓力表及流量計的讀數進行記錄。通過高壓水泵一直增加其壓力，待壓力突然出現減小時，則認為鉆孔內裂隙發生開裂，此時增加高壓水的注入量確保壓力，使其裂隙繼續擴展，注水時間根據現場狀況確定。若巷道發現有水滲出時，則停止壓裂試驗。

4）依次對巷道頂板垂直方向、靠近煤柱側傾斜方向的鉆孔進行壓裂，完成后對高壓水泵設備依次進行斷電、停水，逐漸減小封孔器壓力，并將其從鉆孔內取出來，壓裂試驗完成。

4 試驗結果分析

4.1 水力壓裂效果分析

采用鉆孔窺視儀檢驗鉆孔橫向切槽效果見圖4，從圖中可知，切槽形狀呈矩形且效果良好；向鉆孔內注入高壓水時，切槽內將會出現拉應力集中的現象，裂縫先從切槽內發梢開裂，并沿此方向向遠處進一步的擴展；并且在頂板巖層堅硬區域內依次進行開槽，可以達到分段逐次壓裂的目的。

圖4 鉆孔橫向切槽

4.2 切頂卸壓效果分析

為了驗證水力壓裂切頂卸壓效果，分別在壓裂區域和非壓裂區域進行巷道表面位移觀測。觀測分析可知，非壓裂段兩幫變形量最大253 mm，頂底板變形量最大516 mm；而壓裂段兩幫變形量最大142 mm，頂底板變形量最大285 mm；非壓裂段的兩幫和頂底板移近量普遍超過壓裂段；相比于非壓裂段巷道變形情況，壓裂段兩幫位移量大約降低了45.5%，壓裂段頂板位移量大約降低了42.3%；水力壓裂對沿空巷道頂板和兩幫的位移控制有明顯作用。說明采用水力壓裂的方式將回風巷與護巷煤柱上覆關鍵巖層之間的應力聯系切斷，減弱瓦排巷受工作面回采動壓的影響，達到卸壓護巷的作用。

5 結論

1）理論分析了定向水力壓裂切頂卸壓技術原理、力學環境，結果表明，沿空巷道圍巖失穩的主要因素是巷道頂板存在的懸臂結構，即采空區側基本頂回轉、斷裂、垮落對煤柱側的影響；有效切斷基本頂是該技術的關鍵，并提出其技術工藝流程。

2）通過對壓裂與未壓裂區域內留巷巷道圍巖監測得到，巷道未壓裂區域巷道兩幫移近量，頂底板移近量；巷道實施定向水力壓裂切頂卸壓技術后，兩幫移近量142 mm，降低30.5%，頂底板移近量285 mm，降低50.2%；水力壓裂卸壓效果起到作用。

3）試驗結果表明，采用定向水力壓裂切頂卸壓技術能夠消除或減弱堅硬頂板懸臂結構，達到留巷的目的。