寺家莊煤業(yè)15117工作面水力壓裂切頂卸壓技術實踐

郝曉東

(潞安化工集團 寺家莊公司，山西 晉中 045300)

1 工程概況

山西陽煤寺家莊公司15117工作面井下位于中央盤區(qū)，工作面南部為中央盤區(qū)準備大巷，西部、東部及北部均為未采工作面，工作面走向長度1 778 m，傾斜長度220 m，開采15號煤層，煤層厚度為3.1～8.0 m，平均厚度為5.4 m，平均傾角6°，一般含矸2～3層，夾矸厚度為0.05～0.3 m。煤層頂板巖層為砂質泥巖和粉砂巖，底板巖層為砂質泥巖。15117工作面進風巷采用沿空留墻技術，即在巷道掘進期間構筑1條混凝土墻體，下一區(qū)段工作面沿著混凝土墻體掘進，以此實現(xiàn)工作面無煤柱開采。由于15號煤層的直接頂和基本頂巖層厚度較大且較為堅硬，因此為保障沿空留墻作業(yè)的順利進行，采用水力壓裂切頂卸壓技術壓裂煤層頂板，使得垮落的頂板盡量充滿采空區(qū)，以緩解工作面周邊壓力。

2 水力壓裂切頂卸壓技術

2.1 水力壓裂技術原理

水力切頂卸壓技術主要是通過水力壓裂的方式對頂板巖層進行定向壓裂，通過水力壓裂達到破壞頂板巖層完整性的目的，進而充分削弱頂板的整體性及強度，使得采空區(qū)實現(xiàn)分層垮落的目的，以此降低堅硬頂板難以垮落的難度，縮短工作面的初次和周期來壓步距[1-2]。

采用水力壓裂進行切頂及弱化頂板圍巖時，工作面兩側弧形三角板的懸臂長度會在一定程度上減少，通過水力壓裂實現(xiàn)切斷采動應力向進風巷側傳遞，使得采空區(qū)頂板能夠及時垮落并有效限制頂板覆巖大結構的回轉下沉，緩解留巷帶來的來壓效應，從而有效減緩應力集中現(xiàn)象，具體水力壓裂切頂卸壓前后應力分布特征如圖1所示。

圖1 水力壓裂前后應力分布特征

水力壓裂鉆孔的布置主要有單側和雙側兩種，鉆孔的布置形式主要由工作面的長度及鉆機的能力決定。工作面水力壓裂采用單側鉆孔布置時，壓裂鉆孔僅需要在一側施工，鉆孔施工量較小，但壓裂鉆孔的施工長度會較大，因此對于鉆機、鉆孔的直度和彎曲度要求會較高。工作面水力壓裂采用雙向鉆孔布置時，施工鉆孔的位置不高，鉆孔易于施工，雙側壓裂實施時能夠實現(xiàn)均勻的頂板弱化，雙向鉆孔中的封孔器較短，易于施工[3-4]，具體水力壓裂單側和雙側鉆孔布置形式如圖2所示。水力壓裂的效果主要與頂板的水力壓裂高度有關，當壓裂高度離巷道頂板太近或太遠時均不利于頂板的垮落，壓裂區(qū)域應距離巷道頂板5 m以上或者支護體以上，壓裂后的頂板才會利于回采圍巖控制。

圖2 頂板單側和雙側水力壓裂鉆孔布置示意(m)

2.2 水力壓裂施工工藝

水力壓裂系統(tǒng)主要由高壓水泵、封孔器、注水管、高壓供水膠管等組成，見圖3。水力壓裂技術實施時，主要步驟如下：①連接好各類管路，檢查水力壓裂系統(tǒng)中各部件是否處于正常運轉狀態(tài)；②確認完畢后，首先通過具有橫向切槽的特殊鉆頭進行預制橫向切槽(開槽位于頂板完整段)；③開槽完成后，更換鉆頭為普通鉆頭，繼續(xù)鉆進至下一開槽位置，再次更換鉆頭為特殊鉆頭進行開槽，如此循環(huán)，直至鉆孔施工完畢；④通過手動泵對封孔器的膠筒進行加壓，直至膠筒膨脹至與孔壁緊密貼合，達到封孔目的；⑤連接高壓泵，打開供水開關，對鉆孔實施水力壓裂[5-6]。

圖3 水力壓裂系統(tǒng)示意

2.3 切頂卸壓對留巷應力影響

15117工作面留巷后，采空區(qū)內巷道懸頂?shù)膶挾葘α粝飸哂休^大的影響，為保障墻體的穩(wěn)定，對留巷懸頂進行模擬。現(xiàn)采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，根據(jù)工作面地質條件建立長×寬×高=200 m×50 m×50 m的數(shù)值模型，分別對懸頂距為1 m和0.5 m時的巷道進行模擬。根據(jù)模擬結果得出不同懸頂長度下留巷圍巖垂直應力分布如圖4所示。

圖4 不同懸頂長度下圍巖垂直應力分布云圖

15117工作面進風巷留巷寬度5.2 m，墻體厚度1.5 m，通過分析圖4可知，當采空區(qū)懸頂距為0.5 m和1 m時，沿空留墻墻體垂直應力最大值分別為20.8 MPa和22.3 MPa；懸頂距1 m相比懸頂距0.5 m，巷旁支護壓力增大約7%.因此，在沿空留墻上一工作面回采時，一定要采取措施，保證頂板沿墻體斷裂。

3 切頂卸壓方案及效果

3.1 切頂卸壓方案

根據(jù)水力壓裂技術原理，結合15117工作面地質條件及現(xiàn)有設備情況，為有效掌握水力壓裂鉆孔在各種布置形式下的實施效果，本次水力切頂卸壓方案劃分為兩段進行，第一段采用單側鉆孔布置，第二段采用雙側鉆孔，具體方案如下：

1) 單側鉆孔布置：水力壓裂鉆孔在非回采巷幫開孔，鉆孔偏向工作面?zhèn)?，水力壓裂鉆孔各項參數(shù)如表1所示，水力壓裂鉆孔實施時，每間隔1.5 m實施1次壓裂，每次壓力的時間需大于30 min。具體單側鉆孔布置形式如圖5所示。

表1 單側水力壓裂鉆孔布置參數(shù)

2) 雙側鉆孔布置：工作面?zhèn)茹@孔在巷幫開孔，鉆孔距頂板0.2～0.3 m，煤柱側鉆孔在頂板處開孔，鉆孔距側幫為1 m，鉆孔偏向工作面一側，具體鉆孔布置形式如表2所示，為保障鉆孔壓裂效果，鉆孔每間隔2 m實施1次壓裂作業(yè)，且保障每次壓裂時間不少于30 min。具體雙側壓裂鉆孔的布置形式如圖6所示。

在進行水力壓裂作業(yè)時，水力壓裂起裂壓力計算公式為：

Pb=3σmin-σmax+σt

(1)

式中：Pb為水力壓裂的起裂壓力，MPA；σmax、σmin分別為巖層地應力的最大和最小主應力,MPa；σt為巖體所受拉應力，MPa。根據(jù)巷道的具體地質條件，計算得出巷道所需的起裂壓力Pb=55 MPa，考慮一定的壓力損失和巷道特征，確定本次使用的高壓水泵可實現(xiàn)的最大壓力為62 MPa，泵機電壓及電功率分分別為660 V和90 kW，泵機的流量為80 L/min。

圖5 單側鉆孔布置方式示意(m)

表2 雙側鉆孔布置參數(shù)

圖6 雙側鉆孔布置方式示意(m)

在水力壓裂方案實施過程中，密切注意頂板的變化情況，若有異常情況，應立即停止作業(yè)，排除危險后，針對壓裂區(qū)域采取補強加固措施后方可繼續(xù)施工。

3.2 效果分析

15117工作面進風巷水力切頂卸壓方案實施后，在沿空留墻期間分別進行巷道圍巖變形量的監(jiān)測分析，分別在單側水力壓裂鉆孔區(qū)域和雙側水力壓裂鉆孔區(qū)域布置測站，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠繪制出巷道圍巖變形量與距工作面距離間的關系曲線，如圖7所示。

圖7 水力壓裂方案實施后巷道圍巖表面位移曲線

分析圖7可知，巷道頂板采用單排孔水力壓裂方案后，隨著監(jiān)測斷面與工作面逐漸縮小，巷道圍巖變形量逐漸增大，最終頂板下沉量、底板鼓起量、左幫和右?guī)鸵平康淖畲笾捣謩e為52 mm、144 mm、72 mm和15 mm，且單排孔的區(qū)域巷道整體變形量相對較小，巷道內混凝土墻體的變形量較??；巷道采用雙排孔水力壓裂方案后，隨著監(jiān)測斷面與工作面逐漸縮小，巷道圍巖變形量逐漸增大，最終頂板下沉量、底板鼓起量、左幫和右?guī)鸵平康淖畲笾捣謩e為43 mm、107 mm、61 mm和10 mm，巷道圍巖變形量相較于單排孔布置時，圍巖變形進一步減小，水力壓裂方案對保障巷道圍巖穩(wěn)定起到較大作用。