顧橋礦頂板水力壓裂控制大巷變形技術研究

張 瑞，蔡青旺，黃炳香，陳樹亮，金 峰

(1.淮南礦業集團煤業分公司 顧橋煤礦，安徽 淮南 232000；2.中國礦業大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221116)

在我國的煤礦巷道中，高地應力巷道的比重約為70%[1]，其中持續遭受動壓影響的大巷嚴重影響礦井安全高效生產。對于高地應力巷道的圍巖控制，應力轉移是其中重要的解決辦法之一，侯朝炯等提出了松動爆破、超前鉆孔等多種控制技術[1-3]，在現場運用中取得了實際效果[4，5]。在高地應力巷道中，終采線附近的大巷不僅受到本工作面動壓影響，還受到由關鍵巖層傳導的遠場采動應力的影響；這類巷道具有變形量大、變形時間長、巷道破壞嚴重的特點。采用炸藥爆破等傳統手段轉移應力時，裂縫對巖體的改造范圍較小，安全及管理成本較高，控制效果不理想[6]。煤巖體水力壓裂技術通過水力裂縫實現煤巖體強度弱化，具有控制范圍大、施工安全、成本低等優點[7]。水壓致裂技術在解決生產工作面堅硬頂板控制難題上取得了理想的效果[8-11]，在巷道應力轉移方面也得到了較為深入的研究和實際的運用[12-14]。但是受施工條件等工程因素影響，水力裂縫的實際起裂和有效擴展位置無法實時監測，難以保證施工的有效性；利用鉆孔窺視等手段只能觀測到鉆孔周圍的裂縫分布，對于水力裂縫實際有效改造的巖層無法判斷。在水力壓裂過程中判斷裂縫擴展情況，及時調整施工參數，實現精準壓裂有助于提高壓裂有效性和安全性。

淮南礦業集團顧橋煤礦一直面臨典型的高應力動壓巷道圍巖控制問題。由于該礦的巷道頂板中存在多層堅硬關鍵巖層，使用傳統的爆破切頂、留寬煤柱等措施均無法有效地控制巷道圍巖。使用水力壓裂切頂時，如果不能較精準地切斷多層關鍵層，也難以保證巷道應力的轉移效果。在中國礦業大學的技術裝備[7]支持下，該礦在1312(1)首采工作面開采期間，開展頂板水力壓裂實現應力轉移保護盤區大巷技術試驗。試驗引入成套水力致裂專用裝備，做到壓裂過程的安全可控；同時針對頂板具有多層關鍵巖層的特點，基于水力裂縫的擴展、穿層規律[15，16]，設計精準分層壓裂方案；在施工過程中，定點分段壓裂，實時監測水壓力變化，評估壓裂效果和調整壓裂參數。最后通過監測巷道變形量等參數，檢驗通過頂板多關鍵層精準壓裂來保護盤區大巷的實際效果。

1 工作面條件

1.1 地質條件

1312(1)工作面總體為單斜構造，煤層傾角平均6°，煤厚0.5～4.0m，平均2.8m，受構造影響存在多個薄煤區，原始瓦斯壓力0.12～0.45MPa，原始瓦斯含量3.0～4.3m3/t。老頂為10.1m厚粉砂巖(細砂巖)，單軸抗壓強度21.12MPa，少量裂隙發育，致密堅硬，水平層理清晰。直接頂為12.4m厚的砂質泥巖(泥巖)，單軸抗壓強度12.19MPa，間夾0.4m厚的煤層、煤線等。直接底為總共6.1m厚的泥巖、砂質泥巖、粉砂巖、11-1煤層。

在靠近終采線處地質勘探鉆孔柱狀如圖1所示，該處煤層厚度接近3.75m，在煤層上方10.6m處有11.22m厚的粉砂巖，單軸抗壓強度是21.1MPa；在煤層上方39.6m處有7.94m厚的粉砂巖，單軸抗壓強度22.5MPa(表1)。兩層粉砂巖層均致密堅硬，裂隙不發育。

表1 頂板堅硬巖層厚度和測定強度

1.2 技術條件

1312(1)工作面為北二采區首采面，采用U型通風，工作面內采用傾斜長壁采煤法后退式綜合機械化采煤工藝，正常回采期間工作面沿11-2煤層頂板回采，一次采全高全部垮落法管理頂板。1312(1)工作面的長度1838.7m，寬度260m，面積478062m2，標高-772.0～-549.9m。

1312(1)工作面巷道布置如圖1所示。工作面北部是1314(1)運輸巷掘進工作面，南部是1311(1)運輸巷掘進工作面，西面為北二采區11-2煤層防水煤柱，東到北二11-2煤層回風大巷。周圍工作面及上覆13-1煤層均未采掘，1312(1)工作面上方有1312(3)瓦斯底抽巷已掘進完畢。設計終采線距北二盤區底板運輸機巷220m，距離1312(1)軌道運輸巷提料斜巷開口50m，距離1312(1)運輸提料斜巷開口70m。

盤區大巷采用錨網索及架棚聯合支護。工作面停采后，1312(1)軌道運輸巷提料斜巷和1312(1)運輸提料斜巷要繼續保留，用于服務下一工作面。

2 問題分析及控制思路

2.1 問題分析

在相鄰及本工作面回采過程中，采動應力超前集中；工作面在巷道附近停采后，遠場采動應力通過上覆巖層傳遞至巷道圍巖中，造成大巷持續變形，巷道維護難度大。

圖1 1312(1)工作面巷道平面布置及鉆孔柱狀

為了減小大巷變形，確保礦井的正常生產，通常采用留設寬保護煤柱的方法；但使用這種方法一方面造成了資源浪費；另一方面隨著礦井埋深的增加以及工作面開采強度的加大，保護煤柱對巷道的保護范圍有限。巷道依然可能因為周圍工作面的回采擾動而出現不同程度變形，嚴重延誤生產。

該礦在同一煤層的其他采區(盤區)的回采期間，大巷一直受到采動應力影響，出現不同程度變形，維護困難。在1312(1)工作面(北二采區)回采期間，結合實際頂板地質條件，提前采取措施應對，控制大巷變形。根據在終采線附近“四13”號地質勘探鉆孔柱狀圖可知，在距離11煤層上方10.6m和39.6m處分別有11.22m厚和7.94m厚的粉砂巖頂板，兩層粉砂巖層均致密堅硬，裂隙不發育，為傳遞遠場采動應力的煤層上覆堅硬頂板關鍵巖層，是大巷變形嚴重的潛在主要誘因之一。

2.2 控制思路

水力壓裂技術是通過鉆孔向煤巖體持續注入高壓水，在流固耦合作用下，使鉆孔的孔壁破裂，裂縫持續擴展，達到結構改造的目的，進而滿足強度弱化、增透、應力轉移等工程要求[8]。具有單孔控制距離大，鉆孔施工工程量小；作業過程中動力擾動小，易于管理，安全性高，作業環境好等優勢。為減小工作面動壓對盤區大巷的影響，同時多采出煤炭資源，采用水力壓裂技術對1312(1)上覆頂板進行切頂卸壓，提前切斷采動應力傳遞的通道，保護盤區大巷。

頂板分層壓裂應力轉移控制方案如圖2所示，在工作面終采線處定向切斷距離11煤層頂板10.6m的粉砂巖，減小工作面采動應力對盤區大巷的影響，將粉砂巖層及上覆巖層的應力向采空區方向轉移；同時切斷距離11煤層39.6m的粉砂巖，進一步阻斷采動應力對盤區大巷的影響。具體施工分為兩個階段：①工作面停采前，在兩條斜巷中布置鉆孔，用于壓裂距離煤層頂板39.6m處的粉砂巖層；②工作面停采拆除采煤機和刮板輸送機后，在架間垂直于煤壁斜向前方施工一組鉆孔，用于定向切斷距離煤層頂板10.6m的粉砂巖層。

圖2 頂板分層壓裂應力轉移控制方案

3 施工方案及過程

3.1 鉆孔施工

工作面停采前在斜巷按照設計方案預先布置鉆孔，進行壓裂；工作面停采后，在工作面架間布置鉆孔進行壓裂。鉆孔的空間布置如圖3所示，其中在斜巷施工的鉆孔鉆至高位砂巖頂板中部，在工作面架間施工的鉆孔鉆至煤層上部的低位砂巖頂板中部。在工作面架間用于定向壓裂的鉆孔使用開槽鉆頭在孔底開環槽，然后進行水力壓裂[17]。

圖3 1312(1)工作面斜巷及架間壓裂鉆孔布置

3.2 壓裂施工

采用60MPa井下煤巖體水力壓裂成套裝備進行水力壓裂施工。煤礦井下專用高壓壓裂泵，額定流量200L/min，額定水壓力56MPa。采用增強型橡膠水力壓裂專用封孔器進行封孔，根據鉆孔深度采用不同節數的高壓密封專用管路與封孔器連接，實現深孔分段封孔。各部件之間采用高壓膠管和專用轉接頭進行連接；配套的管路、封孔器、安裝桿額定壓力均為60MPa以上。采用水壓力動態監測系統實時監測壓裂期間的水壓力，保障施工安全性和有效性。超前孔口80m處布置壓裂泵站、監測系統、控制系統以及人員的作業空間，控制系統與監測系統靠近水箱。

共計壓裂鉆孔20個，各鉆孔依據切頂卸壓原理的設計施工參數不同，致裂位置、施工壓力和注水量等參數均不等。每個鉆孔的施工量根據設計參數和水壓力的動態監測系統的反饋信息決定，目標巖層切斷后即可合理控制致裂時間，減小工程量。致裂水壓力峰值變化范圍在11.8～47MPa，平均33.225MPa，注水量范圍在0.16～8.41m3，平均2.946m3，平均每個鉆孔的壓裂時間約15min。

典型的施工水壓力曲線如圖4所示，壓裂過程中的水壓力波動幅度代表了水壓裂縫的擴展體積。由圖4可知，水壓力曲線整體上呈現出2個階段。第一階段，水壓裂縫在目標砂巖層中擴展；第二階段，水壓裂縫在周圍巖層中擴展。因為8號鉆孔為架間定向壓裂孔，水壓裂縫斜交貫穿巖層；目標砂巖層與周圍泥巖層強度不同，導致了水壓裂縫在不同階段的水壓力不同。水壓力出現第一次較大降幅處即為目標砂巖層被定向切斷。在各階段水壓力曲線呈現出密集的小幅度波動，反映了水壓裂縫在同一巖層中發育擴展的過程。因此，根據水壓力曲線特征，砂巖關鍵層被成功定向切斷。

圖4 架間8號鉆孔施工水壓力曲線

4 效果分析

4.1 現場效果

水力壓裂過程中，在斜巷壓裂高位砂巖頂板和在工作面架間壓裂低位砂巖頂板漏水情況不同。壓裂高位砂巖頂板時，只有相鄰鉆孔和本孔出水；壓裂低位砂巖頂板時，除了相鄰鉆孔和本孔外，壓裂孔周圍的錨桿、錨索和煤層頂板均有水滲出或者流出；說明巖體層面影響水力裂縫的擴展和分布。壓裂架間的8號鉆孔時，8號鉆孔周圍的頂板錨索有水滲出，在距8號孔水平距離20m的9號孔有乳白色的泥水滴落。說明在目標巖層中形成水壓裂縫后，水壓裂縫在巖層中的水平擴展距離至少達到20m。傳統的裂縫擴展范圍主要根據鉆孔出水判斷，受巖體特性的影響大；壓裂施工在水壓力測控系統的協助下，能通過水壓力及巖層地質力學參數判斷裂縫當下所在巖層以及擴展范圍，以較小的工程量達到較好的切頂效果。

本試驗中使用水力壓裂技術的目的主要是切斷關鍵巖層，注入的水量少，達到頂板“斷而不碎”的效果。需要切斷的兩層目標砂巖所在位置與孔口的距離不同，其中高壓水在處于高位的砂巖層形成裂縫以后，順著弱裂隙帶或者巖層層理溝通其他鉆孔，實現卸壓，但是在裂縫擴展的極限范圍內，水壓裂縫并不能豎直向下擴展貫穿巷道頂板。但是，高壓水在貫穿處于低位的砂巖層后，巷道斷面是相對弱面，并且在低位巖層與巷道頂板之間的巖層厚度為10.6m，主要以泥巖和煤為主，因而水壓裂縫能將其貫穿。

從施工效果來看，水壓力實時監測數據較好反映了裂縫在頂板不同巖性的巖層中擴展的過程。相鄰孔的出水情況反映了高壓水成功在目標巖層中形成了裂縫，目標砂巖頂板關鍵層得到了有效的弱化，切頂效果良好。

4.2 大巷變形情況

在工作面架間和軌道巷水力壓裂頂板后，在北二11-2盤區底板軌道巷、北二11-2盤區底板運輸巷各設置3個測點監測巷道變形情況(測點A、B、C、7、8、9)；監測頻率為每周觀測一次，共持續觀測122d。

致裂后1312(1)工作面處大巷的變形監測結果如圖5所示，由圖5可知，大巷變形整體較小，并逐漸趨于穩定；其中頂板淺點離層最大變化30mm，頂板深點離層最大變化20mm。兩幫移近量最大變化140mm，頂底板相對移近量最大變化230mm。越靠近巷道施工區域的巷道變形越小。根據巷道變形的監測結果，水力壓裂試驗段的大巷在本工作面開采期間以及開采后的變形量都很小，巷道圍巖變形得到有效控制。這表明通過水力壓裂精準切斷兩層關鍵巖層后，成功的將上覆關鍵巖層的應力傳遞路徑切斷，使大巷圍巖的支承壓力降低，有效減少了巷道變形。

圖5 致裂后1312(1)工作面處大巷的變形監測

4.3 其他間接效果

水力壓裂作業可以與其他作業同時進行，提高了工作面工作效率。相同的裝備能夠重復多次使用，施工損耗小。施工過程采用動態監測系統實時反饋施工過程和調整施工參數，避免了施工的盲目性、增加了施工的安全性，切頂效果好；壓裂過程可以人為控制，效率高。致裂精準、過程可控的水力壓裂有效促進了礦井安全生產。

在生產過程中發現，水力壓裂切頂后，鉆孔注高壓水的位置頂板裂隙較大，工作面來壓步距和懸頂面積更小。在工作面收作期間，采空區頂板與煤壁鉸接程度較低，來壓步距變短，傳遞到工作面支架的載荷壓力較小。水力壓裂對工作面頂板的弱化作用有助于防止收作期間由于長時間不拉移支架而出現壓架事故。

致裂后斜巷變形量如圖6所示，在1312(1)工作面拆除期間兩巷變形很小，在不需要臥底的情況下巷道高度就能保證設備回撤，節省了大量的臥底人工，縮短了拆除工期。1312(1)軌道提料斜巷和1312(1)運輸提料斜巷在水力致裂施工后的變形也整體較小，頂底板最大相對移近量為260mm，有利于后期的巷道維護和保留，服務其他工作面。

圖6 致裂后斜巷變形量

5 結 論

1)水壓致裂時的水壓力動態監測數據反映了裂縫貫穿目標砂巖層，并在其他巖層中擴展的兩個階段。現場施工現象反映了裂縫的單孔擴展范圍至少20m。在水壓力動態監測系統的協助下，水力致裂切頂作業更精準安全，施工量小，避免了施工的盲目性。

2)試驗段盤區大巷的巷道頂底板、兩幫絕對變形量小于230mm，且逐漸趨于平穩，圍巖變形得到有效控制。通過對頂板中多層堅硬關鍵巖層的精準致裂，有效保證了切頂卸壓的有效性，水壓致裂后周圍的巷道變形得到有效控制。

3)基于水力裂縫穿層規律和水力裂縫擴展理論，在具有多層堅硬關鍵層的煤礦巷道頂板中進行精準可控的分層精準壓裂在工程上是可行的，能夠有效轉移大巷應力，控制大巷變形。相較于其他壓裂工藝及技術，本試驗可為具有相似問題的礦井提供技術參考。