水力壓裂切頂卸壓技術在干河煤礦的應用

郭振波

（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 臨汾 041602）

1 工程概況

干河煤礦2#煤層埋深520 m，直接頂板為強度達57.32 MPa的細粒砂巖，屬典型的堅硬頂板。目前在采的2-209 工作面與南部2-100 采空區之間留有25 m保護煤柱，2-209 工作面布置見圖1。在2-209 工作面準備階段，2-2092 巷從掘到回采前均未發生較大的變形，當工作面回采進入到2-100 采空區影響范圍內時，2-2092 巷超前工作面180 m左右在回采超前支承壓力與側向采空區支承壓力雙重作用下，開始出現明顯變形，2-2092 巷超前工作面60 m左右巷道底鼓量達1.2 m，嚴重影響行人，需要采取底鼓控制措施。

圖1 2-209 工作面布置

2 水力壓裂切頂卸壓技術［1］

煤巖體是典型的非均質材料，其特性主要有：含節理、層理等結構面，各向異性，含有原生裂隙，多孔，多尺度等。運用彈性理論、以最大拉應力準則分析應力場影響下鉆孔內裂縫開啟壓力［2］隨傾角、方位角變化而變化的規律時將煤巖體簡化為脆性的、各向同性、連續均質的材料。

圖2 為鉆孔周圍應力分解圖，（x，y，z）直角坐標系用來表示遠場地應力；（r，θ，z）柱坐標系用來表示鉆孔周邊的應力狀態；θAz為鉆孔的方位角，最小、最大與垂直主應力σh，σH和σv的方向與坐標系中（1，2，3）方向相同；θ為x軸向z軸方向轉過的角度，θInc為鉆孔的傾斜角，rw為孔半徑，z軸為鉆孔的軸線方向。

坐標系（1，2，3）與直角坐標系（x，y，z）之間的轉化關系為：

因此，遠場地應力分量（σh，σH，σv）可以用來表示（x，y，z）直角坐標系中的地應力分量：

式中：i，j=x，y，z；m，n=1，2，3；Aij，Amn分別為式（1）中變換系數矩陣中的對應元素。

式（2）代入式（1）得：

（r，θ，z）柱坐標系下傾斜鉆孔周圍的應力表示為：

式中：p為水壓。

圖2 坐標系

鉆孔孔壁應力表示為：

結合圖3 對鉆孔孔壁的開裂條件進行分析，孔壁上最大的拉應力出現在孔壁θ-z切面內，而孔壁的最大環向主應力為且液體壓力p與σθ為函數關系，因此σmax是p的函數。在圖3所示孔壁上σmax會隨角度θ的變化而發生改變，根據最大拉應力準則：當孔壁處最大拉應力達到巖石抗拉強度σt時，裂縫在孔壁處開裂，即：σmax=σt。

圖3 直角坐標系下孔邊應力場

3 水力壓裂參數研究

3.1 鉆孔布置參數的確定

圖4 為固定鉆孔方位角θAz=0°、45°、90°時，鉆孔傾斜角θInc從0°旋轉至90°的過程中，不同最大主應力與中間主應力比值下，無量綱化的裂縫起裂壓力pb/σv的變化規律。

圖4 θAz=0°、θAz=45°、θAz=90°時裂縫開啟壓力(pb/σv)隨傾角θInc 的變化規律

觀察圖發現：σH/σv=1.5 時，不同方位角下，最大主應力與中間主應力比值越大，裂縫的起裂壓力越小。由圖4（a）發現：當方位角θAz=0°，σH/σh=1.7時，裂縫的起裂壓力基本不隨傾斜角θInc的增大而發生改變；當σH/σh＞1.7 時，裂縫的起裂壓力隨傾斜角θInc的增大不斷增大并趨于穩定； 觀察圖4（b）發現：當方位角θAz=45°，σH/σh=1.7 時，裂縫的起裂壓力不隨傾斜角θInc的增大而發生較大的改變，當σH/σh=1.8、1.9、2.0、2.1 時，裂縫的起裂壓力隨傾斜角θInc增大的變化趨勢基本相同； 觀察圖4（c）發現：當方位角θAz=90°時，5 種σH/σh比值下裂縫的起裂壓力均隨傾斜角θInc增大而逐漸增大。

圖5 為固定鉆孔為水平鉆孔，鉆孔方位角θAz從0°旋轉至90°的過程中，不同最大主應力與中間主應力比值下，無量綱化的裂縫起裂壓力pb/σv的變化規律。

圖5 開裂壓力（pb/σv）隨方位角θAz 的變化規律

觀察圖5 可發現：固定鉆孔為水平鉆孔，σH/σh=1.7和1.8 時，裂縫的起裂壓力隨方位角θAz的增大的變化趨勢基本相同，裂縫最大起裂壓力分別為2.1 和2，最小起裂壓力分別為1.8 和1.65，隨著方位角的增大，裂縫起裂壓力達到峰值后緩慢下降；當σH/σh=1.9 時，裂縫最大起裂壓力為1.85，最小起裂壓力為1.25，裂縫起裂壓力隨方位角增大在達到峰值后迅速下降；σH/σh=2.0 和2.1 時，裂縫的起裂壓力隨方位角θAz的增大的變化趨勢基本相同，裂縫最大起裂壓力分別為1.65 和1.55，最小起裂壓力分別為0.8 和0.7。

綜上：對于σHvh型構造應力場，開裂壓力隨鉆孔由垂直方向轉向水平方向呈逐漸增大趨勢；隨著σH/σh比值的增大，裂縫開啟壓力有減小趨勢；開裂壓力隨水平鉆孔方位角θAz從0°～90°增加呈先增大后減小的趨勢。通過圖4 及圖5 選取可使裂縫開啟所需壓力為最小值的最優鉆孔參數，因此結合應力場的具體情況及礦方設備參數，選取最優鉆孔參數為：鉆孔傾角θInc為50°，鉆孔方位角θAz為90°。

干河煤礦地質資料顯示，2#煤層覆巖第一層亞關鍵層厚度為6.4 m，第二層亞關鍵層厚度為12.6 m，第三層亞關鍵層厚度為21.5 m，第四層關鍵層為主關鍵層。前三層亞關鍵層厚度和為40.5 m，根據關鍵層理論并借鑒類似工程經驗［3］，結合上文選定的50°的最優鉆孔傾角，最終確定2-2092 巷水力壓裂鉆孔的孔深為40.5 m，垂直深度31 m。

初步估算水力壓裂所產生的壓裂裂縫半長為400 mm，而兩個壓裂鉆孔孔間最佳理論距離B應該為裂縫半長R的2 倍［4］，滿足公式B=2R，即合理的孔間距為800 mm，采用直徑為56 mm的鉆頭，進行鉆孔的施工。

3.2 試驗方案

本次鉆孔采取單巷雙側［5］的布置方式，從當前工作面前方300 m開始布置水力壓裂鉆孔。本次設計水力壓裂試驗巷道長240 m，在回采工作面前方150 m處設計孔深40.5 m的壓裂鉆孔共45 個，孔距8 m、仰角50°、方位角5°的S′鉆孔30 個，孔距16 m、仰角50°、方位角90°的S鉆孔15 個，鉆孔及布置見圖6。

圖6 水力壓裂鉆孔布置

3.3 試驗效果分析

在工作面前方150～300 m范圍布置1 個未壓裂段巷道位移監測站；在第一個鉆孔施工位置開始布置1 個壓裂段巷道位移監測站，在回采過程中記錄壓裂段與未壓裂段內各測站巷道表面位移量進行對比分析，驗證水力壓裂切頂卸壓的效果。圖7（a）為回采過程中未壓裂段圍巖變形量，圖7（b）為回采過程中壓裂段圍巖變形量。

圖7 回采過程中未壓裂段與壓裂段圍巖變形變化曲線

對比分析圖7（a）與（b）發現：未壓裂段在工作面推進至距監測點80 m時，巷道圍巖變形量開始迅速升高，并且推進至距測站10 m時，頂板下沉量、兩幫移近量、底鼓量分別為410 mm、1 080 mm、690 mm，變形量較大；而壓裂段工作面進至距監測點50 m時，圍巖變形量開始增大，并且推進至距測站10 m時，頂板下沉量、兩幫移近量、底鼓量分別為200 mm、660 mm、280 mm，較非壓裂段的變形量分別縮小51.2%、38.9%、59.4%，水力壓裂卸壓效果明顯。

4 結語

水力壓裂技術是堅硬頂板巷道切頂卸壓的手段。通過該項技術可以使堅硬頂板的強度和整體性都有所下降，頂板能隨采及時垮落，并且降低周期來壓強度。通過理論分析和現場試驗發現，在水力壓裂參數為鉆孔間距800 mm、傾角θInc為50°、方位角θAz為90°和5°時進行巷道超前卸壓的效果好，注水鉆孔內注高壓水可使煤層堅硬的頂板產生裂隙，達到圍巖卸壓的目的。圍巖變形測站監測結果顯示，壓裂段的變形量控制在允許范圍內，可使2-209 工作面安全順利回采。