沿空留巷水力壓裂切頂卸壓技術試驗研究

王勝利

（山西新元煤炭有限責任公司，山西 晉中 045400）

沿空留巷技術的運用不僅提高了巷道的復用率，而且Y 型通風結構也極大地解決了回風隅角瓦斯容易積聚的技術難題。因復用巷道留置在工作面?zhèn)认蛑螒档蛥^(qū)內，所以留巷空間的變形量一般均在可控范圍內。但當頂板中的厚硬巖層在回采后垮落不及時、不充分時，該部分的荷載將長期作用在煤柱和巷幫充填體上，最終使得巷道兩幫及頂?shù)装宓南鄬σ平棵黠@增大。沿空留巷水力切頂卸壓工藝目前在綜采工作面已被廣泛運用[1-5]。水力切頂技術實施前，需首先利用鉆頭在頂板設定高度內預制切槽，然后在巖層自重與支承壓力的綜合作用下使頂板沿切槽部位開裂破斷垮落。但是在保障沿空留巷穩(wěn)定性方面該工藝運用較少。

以新元煤炭有限責任公司3109 工作面輔助進風巷的實際地質資料為依托，擬采用水力壓裂技術對頂板巖層進行壓裂卸壓，并對切頂段內沿空留巷的應力演化特征及位移變化規(guī)律進行研究。

1 工程背景

3109 工作面開采3#煤層，平均采高2.7 m，工作面沿走向布置傾斜推進，采用全部垮落法管理頂板。為提高巷道復用率，在3109 工作面輔助進風巷與落山之間擬采用柔模沿空留巷工藝澆筑墻體對原巷道進行保留；墻體寬度為2.4 m，采用新型高水材料，初凝時間為7 min，終凝時間為22 min，最大抗壓強度為12.16 MPa。在柔模掛網(wǎng)施工前，需在其待接頂位置施工三根Φ21.6 mm×8 300 mm 的錨索，該補強支護的目的是有效維護墻體上方頂板的穩(wěn)定性，減少直接頂巖層對墻體的荷載。3#煤層偽頂為灰色高嶺石泥巖，平均厚度0.30 m；直接頂由2.49 m 厚的砂質泥巖組成； 老頂為灰白色中粒砂巖，平均厚度2.35 m。在3#煤上方30 m 處有一層8.5 m 厚的粗砂—中砂巖，厚度較大，強度相對較高，為3#煤層上方的關鍵層，所以該巖層為本次水壓致裂處理的關鍵區(qū)域。

2 水力切頂實施工藝

2.1 鉆孔設計

新元煤礦3109 輔助進風巷設計水力壓裂段長度為300 m，為不影響工作面正常生產，鉆孔施工位置距離工作面應大于100 m，在超前應力影響范圍外沿煤壁側布置。鉆孔參數(shù)根據(jù)頂板巖層厚度、巖性、礦壓顯現(xiàn)特點與范圍綜合確定。工作面?zhèn)茹@孔在巷幫開孔，鉆孔直徑56 mm，位置距頂板1 m，鉆孔水平投影與巷道軸線方向成17°夾角，仰角為50°，孔間距為10 m，鉆孔長度為42 m，見圖1。考慮到若切頂深度太小，當工作面開采到此位置時，會造成該區(qū)域內直接頂巖層過早破斷，致使其所在區(qū)域工作面頂板維護工作變得被動，為防止冒頂?shù)仁鹿实陌l(fā)生所以保留了其上部27 m寬的三角形巖塊。為了保證壓裂過程中巷道頂板安全，鉆孔壓裂深度為15.7～42 m，每個壓裂單元的長度為3 m，每孔壓裂8～9 次，每次不少于30 min。

圖1 3109 輔助進風巷水力壓裂卸壓鉆孔布置

2.2 壓裂鉆孔打設及開槽

鉆孔鉆進使用煤礦用全液壓坑道鉆機，鉆頭直徑為56 mm。當鉆機鉆進至待開槽部位時，需將普通鉆頭替換為開槽鉆頭，然后在指定位置完成切縫作業(yè)，接著再換做普通鉆頭繼續(xù)鉆進，依次循環(huán)往復，直至打到設計層位。采用跨式膨脹型封孔器封孔。封孔作業(yè)由手動加壓泵配合儲能器完成。利用樹脂膠管（10 mm）將手動泵、儲能器、封孔器順次連接，為達到保壓的效果三通出水端需分別加裝兩個截止閥。在打壓封孔前需首先打開“三通”上的兩個截止閥，然后將手動泵加壓至10 MPa，最后關閉截止閥，完成封孔作業(yè)，見圖2。

圖2 封孔系統(tǒng)連接

2.3 鉆孔注水壓裂

壓裂作業(yè)從距離鉆孔底部最近的切槽部位開始進行。為保證水壓致裂的效果，高壓水泵的加壓作業(yè)需分段進行。隨著開槽段裂紋的擴展，這時壓力會突然下降，此時仍需保壓20～30 min，以保證裂紋的充分發(fā)育。由圖3 可知，在水力壓裂試驗階段的初期，壓力隨著時間不斷遞增，在239 s 時達到了13.1 MPa，此時裂紋開始沿橫向切槽段擴展；在裂紋擴展的過程中水壓值基本穩(wěn)定在13.1～16.2 MPa之間；最終在壓裂作業(yè)持續(xù)1 200 s后壓力衰減到0 MPa，并且煤幫和鉆孔中有水滲出，說明該段巖石已沿切槽段充分預裂。

圖3 水力壓裂時程曲線

3 后續(xù)水力壓裂切頂卸壓實施效果監(jiān)測

為綜合評價研究水力壓裂試驗的工業(yè)性試驗效果，圖4 為3109 輔助進風巷水力壓裂地段和非水力壓裂地段布置巷道礦壓綜合監(jiān)測測站，主要監(jiān)測內容包括：巷道兩幫相對位移量、沿空留巷墻體的受力情況。位移量通過布設十字監(jiān)測點采進行測定，充填體的受力情況通過預置的壓力盒實現(xiàn)。

圖4 礦壓觀測測點布設

圖5 水力壓裂區(qū)段頂?shù)装寮皟蓭臀灰?/p>

圖6 非水力壓裂區(qū)段頂?shù)装寮皟蓭臀灰?/p>

水力壓裂區(qū)段頂?shù)装寮皟蓭偷奈灰屏糠謩e為246 mm、220 mm。根據(jù)工作面采線位置與測點間距離的相對關系可將巷道的變形劃分為如下幾個階段： 在滯后工作面4.4～45.29 m 的位置時水力壓裂區(qū)段巷道頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃尉^大，移近速率（工作面每推進1 m 頂?shù)装寮皟蓭偷囊平浚┓謩e為2.8 mm/m、4.18 mm/m，在滯后工作面45.29～118 m 的位置時巷道變形速率逐漸減小，頂?shù)装逡平俾蕿?.38 mm/m、兩幫移近速率為0.25 mm/m，最終在工作面推過測點118 m后變形量基本穩(wěn)定。水力壓裂區(qū)段巷道變形達到基本穩(wěn)定的狀態(tài)，對提高巷道的復用率，降低巷道后期維護成本具有重要的意義。非水力壓裂區(qū)段在工作面推過測點144.5 m后兩幫的累計變形量為300 mm，頂?shù)装宓睦塾嬜冃瘟繛?31 mm，并且仍呈逐漸遞增狀態(tài)，這說明在未實施水力切頂工藝的條件下側向支撐壓力會對沿空留巷空間產生明顯的影響，導致巷道兩幫及頂?shù)装逡平吭龃蟆?/p>

圖7 水力壓裂區(qū)段沿空留巷包體壓力盒

圖8 非水力壓裂區(qū)段沿空留巷包體壓力盒

為監(jiān)測煤層開采過程中沿空留巷墻體的受力情況，分別在壓裂區(qū)段、非壓裂區(qū)段的墻體頂部各設置一個壓力盒。因為高水材料在澆筑完成后強度上升較快，所以在工作面推過測點4.4 m 后壓力盒所受的應力值已達14.9 MPa，在此基礎上工作面再向前推進65.8 m 時應力值已遞增為21 MPa，在工作面推過測點99.6 m 后水力壓裂區(qū)段壓力盒的應力值基本穩(wěn)定在22.1 MPa，見圖7。圖8 為非水力壓裂區(qū)段墻體直至工作面推過144.5 m 后所受荷載一直呈遞增狀態(tài)，但其遞增速率要明顯小于工作面距其-4.4～-45.2 m 這一區(qū)段。

4 結語

根據(jù)礦井回采巷道地質條件以及以往成功經(jīng)驗，對以新元煤礦3109 輔助進風巷沿空留巷水力壓裂切頂卸壓技術進行了設計，并進行了現(xiàn)場試驗，主要結論有：

1）通過記錄壓裂過程中的壓力—時間曲線可將開槽段裂紋擴展劃分為：起裂準備、裂紋擴展、止裂三個階段。

2）水力切頂工藝減小了頂板懸梁的跨距，試驗段頂?shù)装寮皟蓭偷囊平糠謩e為246 mm、220 mm。水力切頂工藝實施后巷幫充填體所受載荷較非試驗段相比明顯減小，在工作面推過測點99.6 m 后應力值穩(wěn)定在22.1 MPa。