水力壓裂弱化頂板護孔技術

薛江達，孫永康，王軍，張庚

（太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 晉中 030600）

0 引言

瓦斯是威脅煤礦井下安全生產主要的因素之一[1-3]。順層鉆孔是礦井回采工作面的主要瓦斯治理方式，工作面回采前要施工順層鉆孔預抽煤層瓦斯，抽采達標后才可安排回采作業[4-5]。采區內單翼布置順序開采的工作面回采過程中，極易在鄰近工作面煤體中形成較高的采動支承應力，導致工作面煤體大范圍塑性區破壞，從而造成鄰近工作面煤體中提前施工的順層鉆孔的封孔段發生破壞，使得順層鉆孔失效，嚴重制約了工作面安全高效生產[6-8]。

為提高順層鉆孔的穩定性，保證其抽采效果，有學者對護孔技術進行了研究。姚向榮等[9]基于注漿固化成孔新理論，對工作面巷道抽采鉆孔圍巖弱結構破壞失穩進行了有效控制。葉高榜[10]分析了鉆孔坍塌、變形的力學條件，提出了用于解決松軟煤層鉆孔塌孔的新型內支撐護孔管。孟曉紅[11]建立了不同角度鉆孔塌孔的力學模型，提出了采取小直徑鉆孔、增加鉆孔支護強度等方式提高鉆孔穩定性。張金寶[12]開發了鉆孔內水力輸送分組篩管自主對接完孔工藝技術，實現了鉆孔全孔段篩管護孔。李潤澤等[13]利用大通孔螺旋鉆孔配合可開閉鉆頭對煤層鉆孔進行全程下篩管護孔工藝研究，解決了鉆孔易發生塌孔的問題。陳超等[14]提出了采用跟管護孔鉆進工藝過高應力區，以達到護壁效果。張鵬等[15]提出了全長篩管護孔技術，以防止鉆孔漏氣而影響抽采效果。

現階段的研究主要集中在增強鉆孔本身強度，并未針對影響鉆孔穩定性的根本性因素提出解決措施。本文以山西和順正邦良順煤業有限公司（以下簡稱良順煤礦）150205 工作面順層鉆孔受鄰近工作面采動影響為工程背景，通過分析順層鉆孔失穩原因，提出了一種水力壓裂弱化頂板護孔技術。利用數值模擬與現場實踐相結合的方式，研究水力壓裂弱化頂板對順層鉆孔的保護效果。

1 工程背景

良順煤礦井田位于沁水煤田東北部。井田地質總體上為單斜構造，地層傾角平緩，中部為褶曲構造并發育有8 條正斷層。煤礦主采15 號煤層，且為單翼開采，煤層平均厚度為4.8 m，平均埋深為450 m，工作面基本頂以K2 石灰巖和細粒砂巖為主，總厚度為12.0 m。工作面地質柱狀圖如圖1 所示。

圖1 工作面地質柱狀圖Fig.1 Geological column histogram of the working face

工作面布置如圖2 所示。150203 工作面為回采工作面，臨近150205 工作面為順層鉆孔預抽煤層瓦斯工作面，工作面煤柱寬度為20 m。150205 工作面順層鉆孔孔徑為108 mm，鉆孔間距為2 m，鉆孔長度為80 m。隨著150203 工作面回采，采動支承應力沿頂板堅硬巖層傳遞到150205 工作面煤柱和煤體，造成順層鉆孔周圍煤體的塑性區擴展，影響鉆孔封孔效果，導致其失效或抽采效果降低。

圖2 工作面布置Fig.2 Layout of the working face

2 順層鉆孔失穩分析

2.1 順層鉆孔應力分布特征

基于巷道圍巖松動圈理論[16-18]，類比分析順層鉆孔在支承應力作用下周圍亦存在破碎區和塑性區。在理想狀態下，鉆孔圍巖彈塑性區分布如圖3所示。其中，σ1為垂直應力，MPa；σ2為水平應力，MPa；R1為鉆孔半徑，m；R2為破碎區半徑，m；R3為塑性區半徑，m。

圖3 鉆孔圍巖彈塑性區分布Fig.3 Distribution of borehole surrounding rock elastoplastic zones

根據彈性力學模型可知[19-21]，鉆孔位于圍巖彈性范圍的非均勻引力場中，巷道圍巖處于彈性狀態，可得

2.2 鉆孔失穩破壞影響因素

1）順層鉆孔施工完成后，鉆孔形狀固定，孔壁穩定。由于煤體中支承應力的影響，鉆孔孔壁煤體發生蠕變，隨著抽采時間延長，孔壁煤體較軟處會形成坍塌而完全阻塞瓦斯的流動通道。

2）順層鉆孔施工完成后，鉆孔周圍的應力場趨于穩定，且鉆孔未發生破壞。當鉆孔周圍煤體受擾動或采動影響時，會發生支承應力的重新分布，并產生較高的支承應力峰值，造成煤體塑性區擴展，使順層鉆孔封孔區發生破壞，影響鉆孔抽采效果。

3 水力壓裂弱化頂板護孔技術數值模擬

3.1 水力壓裂弱化頂板護孔原理分析

水力壓裂可降低堅硬基本頂的強度，優化基本頂的斷裂位置，減小作用在鄰近工作面煤體上的采動支承應力峰值，切斷應力傳播路徑。作用在順層鉆孔周圍煤體中的應力峰值降低后，可有效防止鉆孔周圍煤體發生較大范圍的塑性破壞而導致鉆孔封孔段失效而漏氣。

順層鉆孔全孔段下置篩管，保證煤體與鉆孔之間存在氣體流通的通道，水力壓裂弱化頂板護孔技術可很好地保護鉆孔封孔段的密封性，從而保證順層鉆孔的抽采效果。

3.2 模型建立及參數設定

根據礦井地質柱狀圖及巖石力學試驗結果，各巖層物理力學參數見表1。

表1 各巖層物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of each rock formation

從工程實際角度出發，確定數值模型尺寸為150 m×150 m×37.1 m（長×寬×高），共有400 000 個單元和417 231 個節點，選用摩爾-庫侖本構模型，數值模型如圖4 所示。圖中沿煤層走向為x軸，沿煤層傾向為y軸，垂直于煤層方向為z軸。

圖4 數值模型Fig.4 Numerical model

150205 工作面埋深為450 m，計算上覆巖層荷載，施加的垂直應力約為10 MPa。根據良順煤礦的地質資料，側壓系數取1.2。模型邊界設置為不透水邊界。限制模型向四周變形移動，即將模型的前后左右及底面的位移、速度限制為零，將模型的上邊界作為自由邊界。

設置x=15～18 m，y=0～150 m，z=7～10 m 處為150205 回風巷，x=38～138 m，y=10～50 m，z=7～10 m處為回采范圍，并預留20 m 寬煤柱。考慮到工程實際情況，水力壓裂鉆孔布置在150205 回風巷兩側y=20～60 m，z=10 m 處，沿y軸方向每10 m 設置1 個水力壓裂鉆孔，并在臨近150203 運輸巷相同位置布置水力壓裂鉆孔。水力壓裂鉆孔穿過K2 石灰巖，鉆孔角度為75°，鉆孔孔徑為75 mm。注水壓力為20～27 MPa，每個鉆孔壓裂4 次，每個壓裂段都在關鍵層中，每個壓裂段壓裂時間為30 min。

采用spss22.0進行數據處理。卡方用以檢驗計數資料，t值用以檢驗計量資料，以P＜0.05具有統計學意義。

3.3 水力壓裂弱化頂板前后煤體破壞規律分析

當煤層上部賦存堅硬頂板時，鄰近工作面回采會在鉆孔附近的煤體形成應力集中區域，如圖5 所示。

圖5 鉆孔周圍煤體應力分布云圖Fig.5 Cloud map of coal stress distribution around borehole

水力壓裂弱化頂板前，鄰近工作面回采40 m 過程中，鉆孔周圍煤體垂直應力演化規律如圖6 所示。可看出鄰近工作面回采至10 m 時，鉆孔周圍煤體的垂直應力峰值為15.6 MPa，此時鉆孔周圍煤體受采動支承應力影響較小；回采至20 m 時，鉆孔周圍煤體的垂直應力峰值為18.1 MPa，采動支承應力對鉆孔周圍煤體的影響逐漸變大；回采至30 m 時，鉆孔周圍煤體的垂直應力峰值為21.2 MPa，此時采動支承應力對鉆孔周圍煤體的影響達到最大；回采至40 m 時，鉆孔周圍煤體的垂直應力峰值減小，為17.3 MPa。

圖6 水力壓裂弱化頂板前煤體垂直應力演化規律Fig.6 Evolution law of vertical stress of coal before hydraulic fracturing weakening roof

水力壓裂弱化頂板后，鄰近工作面回采40 m 過程中，鉆孔周圍煤體垂直應力演化規律如圖7 所示。可看出鄰近工作面回采至10，20，30，40 m 時，鉆孔周圍煤體的垂直應力峰值分別為8.6，8.9，9.0，9.1 MPa。水力壓裂弱化頂板后，鉆孔周圍煤體的垂直應力峰值降低了57.1%，能夠很好地避免鉆孔周圍煤體的塑性區擴展，保證鉆孔的封孔和抽采效果。

圖7 水力壓裂弱化頂板后煤體垂直應力演化規律Fig.7 Evolution law of vertical stress of coal after hydraulic fracturing weakening roof

鉆孔周圍煤體受采動支承應力影響時，會在煤體中造成塑性區擴展，如圖8 所示。可看出鄰近工作面回采后，由于鉆孔周圍煤體受較高采動支承應力的影響，煤體發生塑性破壞的范圍較大，塑性區范圍約為19 m；采用水力壓裂弱化頂板后，作用在鉆孔周圍煤體的采動支承應力峰值大大降低，煤體發生塑性破壞的范圍減小，塑性區范圍約為11 m，塑性區范圍減小了42.1%。

圖8 水力壓裂弱化頂板前后回采40 m 時煤體塑性區分布Fig.8 Plastic zone distribution of coal when mining 40 m before and after hydraulic fracturing weakening roof

4 水力壓裂弱化頂板護孔技術現場實測

為改善150205 回風巷內順層鉆孔周圍煤體的應力環境，使鉆孔能夠更好地發揮預抽作用，降低煤層瓦斯含量，在150205 回風巷距切眼350～550 m區域實施水力壓裂弱化頂板護孔技術。根據取芯樣本，水力壓裂弱化的目標巖層是由7 m 厚石灰巖和5 m 厚細粒砂巖組成的基本頂。

水力壓裂弱化頂板施工如圖9 所示。具體實施方案：在150203 運輸巷向煤柱幫施工水力壓裂鉆孔，在150205 回風巷兩側施工水力壓裂鉆孔；鉆孔設計深度為32 m，傾角為75°，孔徑為75 mm，間距為10 m；每個鉆孔采取后退式水力壓裂方式，每后退2.5 m 壓裂1 次，單孔壓裂4 次，每個鉆孔壓裂時間為30 min，注水壓力為20～27 MPa。

圖9 水力壓裂弱化頂板施工Fig.9 Construction of hydraulic fracturing weakening roof

150205 回風巷內順層鉆孔長度為60 m，鉆孔孔徑為108 mm，封孔管徑為63 mm，封孔深度為18 m。在受采動影響的150205 回風巷進行水力壓裂弱化頂板區域選取3 組順層鉆孔，編號分別為1-1，1-2，1-3，與切眼的距離分別為400，450，500 m，每組各有8 個鉆孔；在受采動影響的150205 回風巷未進行水力壓裂弱化頂板區域選取3 組順層鉆孔，編號分別為2-1，2-2，2-3，與切眼的距離分別為100，150，200 m，每組各有8 個鉆孔。每組順層鉆孔中布置匯流管、放水器和計量裝置，通過測定順層鉆孔中瓦斯抽采體積分數、瓦斯抽采流量和CO 體積分數來分析水力壓裂弱化頂板護孔效果。

各組鉆孔的瓦斯抽采體積分數如圖10 所示。可看出受采動影響的150205 回風巷進行水力壓裂弱化頂板區域的3 組鉆孔瓦斯抽采體積分數最大值達18.2%，平均值為14.1%；未進行水力壓裂弱化頂板區域的3 組鉆孔瓦斯抽采體積分數最大值為9.3%，平均值為3.6%，且有鉆孔出現瓦斯抽采體積分數接近0 的情況。

圖10 瓦斯抽采體積分數變化曲線Fig.10 Variation curve of gas extraction volume fraction

各組鉆孔的瓦斯抽采混合流量如圖11 所示。可看出受采動影響的150205 回風巷進行水力壓裂弱化頂板區域的3 組鉆孔瓦斯抽采混合流量平均值為0.464 m3/min；未進行水力壓裂弱化頂板區域的3 組鉆孔瓦斯抽采混合流量平均值為1.28 m3/min，這是由于未進行水力壓裂弱化頂板區域的鉆孔封孔段出現漏氣的情況。各組鉆孔的CO 體積分數如圖12 所示。可看出受采動影響的150205 回風巷進行水力壓裂弱化頂板區域的3 組鉆孔CO 體積分數最大值為8×10-6；未進行水力壓裂弱化頂板區域的3 組鉆孔的CO 體積分數最大值為44×10-6，平均值為38×10-6，這是由于未進行水力壓裂弱化頂板區域出現順層鉆孔與巷道通過煤壁裂隙貫通的情況，造成鉆孔內煤體氧化產生較多的CO。

圖11 瓦斯抽采混合流量變化曲線Fig.11 Variation curve of mixed flow rate of gas extraction

圖12 CO 體積分數變化曲線Fig.12 Variation curve of CO volume fraction

在實施水力壓裂弱化頂板護孔技術后，鉆孔瓦斯抽采濃度明顯提高，瓦斯抽采混合流量大幅降低，鉆孔內煤體基本不會出現氧化反應而產生CO，提高了鉆孔抽采效果，保證了鉆孔抽采安全。

5 結論

1）水力壓裂弱化頂板護孔技術一方面降低了采動支承應力的峰值，另一方面阻斷了高支承應力向順層鉆孔周圍煤體的傳遞。數值模擬結果表明，順層鉆孔周圍煤體的垂直應力峰值由21.2 MPa 降低為9.1 MPa，降低了57.1%。

2）水力壓裂弱化頂板護孔技術可減小臨近巷道煤壁塑性區范圍，避免順層鉆孔封孔段全區域的塑性破壞。數值模擬結果表明，隨著鉆孔周圍煤體支承應力峰值降低，煤體塑性區范圍由19 m 減小為11 m，減小了42.1%。

3）在150203 運輸巷與150205 回風巷實施水力壓裂弱化頂板護孔技術后，鉆孔瓦斯抽采體積分數平均值由3.6%提高到14.1%，提高了74.5%；瓦斯抽采混合流量平均值由1.28 m3/min 降低為0.464 m3/min，降低了63.8%；未進行水力壓裂弱化頂板區域的順層鉆孔中出現較高的CO 體積分數，平均值為38×10-6，而進行水力壓裂弱化頂板區域只有少數鉆孔出現CO。