平朔井工一礦定向水力壓裂頂板減小煤柱應力技術研究

＊彭可平

（中煤平朔集團有限公司井工一礦 山西 036006）

引言

礦體中的豎井、斜井及巷道等采掘空間打破了原巖體的初始應力平衡狀態[1]。煤巖采動使得原本均勻分布的巖體應力重新分布，在部分區域還會出現高應力狀態，在高應力作用下，不僅會導致巷道或者工作面的嚴重變形，而且在特定條件下，還使得巖爆、沖擊地壓、煤與瓦斯突出等動力學災害事故發生的可能性急劇增加[2]。

預防和控制高應力造成災害性事故則主要依靠各種巖層卸壓技術。目前巖層卸壓技術主要有爆破、巖層注水、鉆孔等卸壓方法，傳統爆破強制放頂方法在某些工況下有一定的效果，但存在成本較高、安全性較差以及爆破震動等缺點[3]。水力壓裂技術不僅不會導致額外震動，且可以適用于高瓦斯礦井，具有較強的適用性[4]。

水力壓裂技術在現場的應用較為復雜，卸壓技術和巷道應力轉移特征等都需進一步研究。平朔井工一礦目前開采的9#煤層，19110工作面區段煤柱寬度20m，隨著開采深度增加，礦壓顯現逐步加劇，巷道維護費用較高。本文根據9#煤層實際賦存條件、巷道布置、煤柱留設及工作面推進過程中來壓、巷道變形等情況，通過水力壓裂技術手段[5]，對巷道應力變化進行探索研究，確定合理的卸壓布孔方式，為卸壓技術在平朔礦區的應用提供示范[6]。

1.工程概況

19110工作面是太西采區9煤組第五個工作面，工作面寬凈寬241.5m，工作面面積為780290m2，工作面標高966.1～1188.4m，19110工作面上部為14110工作面采空區，北部與19109工作面相鄰，東部是太西三條大巷及保護煤柱，南部為設計19111工作面，西部為地表物探小窯破壞區。工作面回采煤層為9煤，該煤層為中灰、高揮發分、中高硫、低固定碳、中熱值的長焰煤，經鉆孔和巷道實際接露，該煤層結構較復雜；9煤最大厚度13.7m，最小厚度為9.2m，平均為11.9m。工作面內煤層厚度賦存穩定，煤層中含夾矸2～3層，夾矸為深灰-黑色泥巖、砂質泥巖。煤層以半亮煤為主，瀝青光澤，條帶狀結構，發育少許內生裂隙，硬度一般，局部性脆易碎，含黃鐵礦結核。

2.水力致裂方案

(1)水力壓裂弱化頂板原理

工作面回采過后頂板側向斷裂線的位置影響煤柱應力集中程度：如圖1，如果頂板A巖塊和B巖塊的的斷裂線位置在巷道上部或者煤柱上部，那么煤柱會變為巖梁一端的承載基，煤柱受力集中，煤柱塑性區范圍大，鄰近巷道容易發生較大的破壞變形。如果工作面頂板側向斷裂線位于采空區上方且離煤柱較遠，如圖所示，則煤柱上方頂板形成懸臂梁結構，懸臂梁受力完全作用在煤柱上，煤柱塑性區范圍大，不利于鄰近巷道的穩定。

圖1 線在煤柱或鄰近巷道上方

為了分散壓應力，結合水力壓裂的裂縫擴展規律，可采用水力壓裂技術在巷道走向在其上方切斷頂板，降低煤柱應力集中及巷道變形程度[6]。

(2)致裂鉆孔布置

9#煤層與4#煤層的層間距約35m，且在9#煤層上方13～19m范圍內存在不易垮斷砂巖層位，因此計劃在19110工作面輔運煤柱一側與19109主運巷煤柱一側進行斷頂卸壓；另外，由于19110工作面輔運順槽930m倒車硐室處至915m在施工過程中發生一次強礦壓顯現，引起該范圍內頂板大面積下沉，直接原因為巷道水力壓裂施工中與順槽平行的鉆孔間距較小，壓裂后裂隙發育，巷道頂板自承能力降低，受超前支承壓力影響發生整體下沉。

為避免以上情況的再次發生，在19110輔運巷道水力壓裂鉆孔布置在里程牌650～850m共計200m區域。鉆機穩固在距離煤柱1m范圍，施工A孔、B孔兩種鉆孔，其中A孔沿巷道走向向煤柱側偏移10°打設，距離煤柱1m位置；B鉆孔沿巷道走向向煤柱側偏移35°打設，距離煤柱1m位置；兩種鉆孔仰角均為45°，鉆孔深度A孔為40m，B孔為45m。孔徑均為φ60mm，A孔孔距為20m，B孔孔距為10m，這樣做有以下兩個方面的考慮。

①為確保頂板安全，A孔壓裂留有足夠安全間距，考慮單孔壓裂的有效范圍為半徑5m以及本次現場觀測頂板彎曲下沉的15m范圍，考慮保證卸壓效果，排距確定為20m。

②為更好的保證壓裂頂板減少煤柱應力，且不破壞現有巷道支護，確定B孔為主要壓裂孔，A孔為輔助壓裂孔。

19110輔運巷道水壓致裂鉆孔共施工鉆孔30個，其中A孔10個，B孔20個，總施工量1300m。

3.現場工藝

(1)水力壓裂施工

水力壓裂施工工序如下：瓦斯檢查→管道及電纜檢查→按照方案鉆孔→封孔→水力壓裂→驗收。鉆桿規格為長度1.5m，直徑42mm，鉆頭直徑為60mm。

水力壓裂工藝如下：按照施工要求完成準備工作后，利用鉆機在孔口處連接密封鉆桿，并送至鉆孔內壓裂區域，密封鉆桿全部送到位后，采用手動加壓泵加壓至12～20MPa，觀察鉆孔出水狀態及監測壓力表示數，正常即可進行正式加壓；正式作業時在40m范圍內設置警戒區域，禁止人員通行直至作業結束；正式加壓時先通水再通電，控制高壓泵壓力緩慢增加，隨時記錄監測壓力表示數，加壓至預裂縫開裂；壓裂結束后先打開泄壓閥再進行管道等的拆除。

(2)安全措施

隨時監測頂板及鉆孔出水情況，以及作業區域頂板、兩幫及支護情況，確保無危險、無隱患，若出現錨索斷裂等情況時，協調停泵，停止作業；高壓泵由專業人員操作，作業時對其運行狀態和泵壓進行監測，出現問題及時停泵，待解決問題后方可繼續作業。

4.定向水力壓裂效果分析

(1)水力壓裂數據分析

19110輔運順槽起裂最大壓力達28MPa（B10鉆孔），與山西長治地區水力壓裂施工時有明顯差距（起裂壓力普遍在33MPa左右）。由于長治地區頂板主要為K2石灰巖和砂巖，與井工一礦頂板的粉砂巖、砂質泥巖相比，頂板硬度相對較小，導致水力壓裂時的起裂壓力降低，這表明采用水力壓裂技術用來治理砂巖堅硬頂板效果仍然較好。

(2)錨桿應力數據分析

根據19110工作面推進的情況，分別選取輔運巷650～700m和600～650m范圍內頂板檢測20根錨桿，選取巷道頂板實體煤側距幫1m的頂部錨桿10根，距幫2m的頂部錨桿10根，幫部選取離底板1.5m高度的錨桿10根，共計60根錨桿進行載荷檢測。

距幫1m測線的頂部錨桿載荷可以反映工作面實體煤側超前應力對巷道頂板支護的影響程度，壓裂段平均值為69.1kN，未壓裂段為82.67kN。從圖2（a）分析，壓裂段曲線起伏較大，部分錨桿載荷遠低于平均值，而未壓裂段曲線平滑，說明水力壓裂施工對巖體的破壞是不均勻的，在超前應力的作用下，其對巷道頂板的載荷有整體的降低，但也會造成應力分布不均勻，局部出現載荷升高的情況。

如圖2（b），距幫2m測線已基本位于巷道中部，其受到煤柱側向懸頂和超前應力的綜合影響，是巷道頂板載荷最大的部分，壓裂段平均值為81.1kN，未壓裂段為90.5kN。從曲線上看，壓裂段較未壓裂段有明顯的降低。

從圖2（c）可以看出，臨空煤柱上的錨桿主要是限制煤柱變形的作用，壓裂段平均值為27.11kN，未壓裂段為38.2kN。壓裂施工可以有效的提高臨空煤柱的穩定性。

本次壓裂施工的巷道區段，頂錨桿的平均載荷有7%～15%的降幅，臨空幫部錨桿的平均載荷有28%的降幅。壓裂施工可以減小超前應力和采空區側向懸頂對回采巷道的影響，有效的提高臨空煤柱的穩定性，對巷道礦壓顯現有較好的改善效果。

5.結論

通過現場觀測的方法，針對頂板水力壓裂后的效果進行綜合評價得出：

（1）19110輔運巷壓裂區域不同深度的應力曲線均表現出應力穩定的趨勢，未出現應力集中現象，未壓裂區域不同深度的應力曲線在受到鄰面回采擾動的影響時，應力出現緩慢上升趨勢；壓裂區域內頂板下沉速率明顯小于未壓裂區域頂板下沉速率，且未壓裂區域受超前壓力影響下沉速率尤為明顯。

（2）壓裂層位由粉砂巖→細粒砂巖→粉砂巖→砂質泥巖變化，壓裂所需要的壓力強度也明顯降低，同時壓裂強度低的巖層所需要的時間也逐漸變小。

（3）壓裂區域頂錨桿的平均載荷有7%～15%的降幅，臨空幫部錨桿的平均載荷有28%的降幅。壓裂施工可以減小超前應力和采空區側向懸頂對回采巷道的影響，有效的提高臨空煤柱的穩定性，對巷道礦壓顯現有較好的改善效果。