水力压裂切顶卸压控制动压巷道围岩变形研究

张江波

（霍州煤电集团有限责任公司，山西 霍州 031400）

1 工程背景

干河煤矿是霍州煤电集团的主力生产矿井，2-209工作面为矿井主采面，工作面布置见图1。井下相对位置北东端为井田边界，南西端为二采区回风巷，北西侧均为实体煤，南东侧为2-100工作面采空区。工作面煤层整体呈一倾向北西的单斜构造，局部发育小型褶曲，煤层平均厚度：1、2#合并厚煤层区3.9m，夹矸平均0.6m左右。煤层结构1.91（0.2～1.0）1.59，煤层倾角 1°～11°，平均 5°，煤层硬度（f）为1.5，属于煤层稳定性煤层。煤层底板标高为48～126m，地面标高为550～635m，工作面埋深为485～540m。工作面两巷沿煤层走向布置，走向长度2160m，倾向长度183m。

2091巷为实体煤中掘进，209工作面回采期间超前采动影响不大，超前支护段几乎没有明显变形。2092巷与100工作面采空区间净煤柱为25m，掘进期间成型和支护效果良好，巷道未见明显变形；但209工作面回采进入到100采空区影响范围后，2092巷超前影响段变形明显，超前180m左右即有底板硬化层开裂，出现底鼓，超前60m范围内巷道变形严重，底板鼓起，两帮移近，顶板出现破碎网包，变形最严重处巷宽由4.8m缩至3.5m，巷高由3.6m减至2.3m，起底量和超前维护量巨大。

图1 2-209工作面采掘工程平面图

在工作面回采动压影响下，工作面两侧所留设的区段煤柱内部应力会随着工作面推进距离的变化而发生变化。当距离工作面相对较远时，煤柱未受回采动压影响而处于原岩应力状态；当煤柱与工作面距离较近时，在工作面超前支承压力影响下，煤柱内部应力急剧增加，处于应力增高区；当煤柱距离工作面后方较远后，煤柱内部应力逐渐减小，恢复到原岩应力状态并趋于稳定。因此，受支承压力的影响，护巷煤柱载荷急剧增长，外巷巷道的变形开始变大，如图2所示，巷道片帮、底鼓现象突出。干河矿2092巷超前段发生急剧变形，为典型受超前采动影响所致，该巷同时受100采空区侧向支承压力和209回采面超前支承压力影响，侧向支承压力无法进行卸压，因此需在2-2092巷采取超前切顶卸压技术来减弱本工作面回采期间的超前支承压力，减小超前影响段维护量。

图2 护巷煤柱在回采工作面前后方的应力分布

2 水力压裂理论及技术

水力压裂即通过在钻孔压裂段预先生成切槽裂缝，通过注入高压水来使孔内裂隙发生定向扩展致裂岩体的方法。该项技术在煤矿坚硬顶板控制控制方面经过多年试验，取得了良好的现场应用效果。高压水对顶板的作用主要体现在弱化顶板和高压致裂两个方面，对顶板岩层的完整性进行破坏，同时降低其强度，从而有助于上覆顶板岩层发生逐次垮落，将顶板来压步距及来压强度大大减小，防止了坚硬顶板大面积来压而导致工作面安全生产事故的发生。

岩体是各向异性、内含节理裂隙等结构弱面的非均质材料，而在高压水作用下岩体的裂纹扩展是涉及到固体力学、流体力学的多场耦合作用过程。通过水力裂缝尖端应力场，建立水力裂纹扩展准则，进而对水力压裂情况下，岩体的裂纹扩展形态进行研究。

在进行理论分析时，可将岩体看作是连续、均匀、各向同性的脆性材料，基于最大拉应力准则，通过弹性力学的方法来对裂缝的起裂条件进行分析研究。当钻孔相关参数及地应力场不同时，则围岩裂缝起裂规律也不同。例如，当方位角θAz=0°，钻孔倾斜角θInc从0°旋转至90°，即钻孔由垂直孔旋转为水平孔，σH/σv=0.25、0.75、1.5 和 2.5 时，pb/σv的变化规律见图3。

图3 开裂压力(pb/σv)随倾角θInc的变化规律

由上图可知，当 σH/σh=1.0 时，开裂压力(pb/σv)与倾角θInc呈现反比关系，随着钻孔方向由竖直转向水平，致裂岩层所需压力呈减小趋势；对于σvHh型地应力场(σv＞σH＞σh)，开裂压力(pb/σv)与倾角 θInc呈先增大后减小的趋势，所需开裂压力的极值出现在钻孔由竖直向水平的旋转过程中；对于σHvh型地应力场 (σH＞σv＞σh)，开裂压力(pb/σv)与倾角 θInc呈逐渐增大的趋势，当钻孔由垂直方向转向水平方向时，开裂岩层所需的压力也在持续增加；对于σHhv型地应力场 (σH＞σh＞σv)，岩层开裂所需压力会随着钻孔由竖直方向转向水平方向而呈现减小趋势。钻孔倾角越接近水平方向，则所需开裂压力也趋向一个收敛固定值；对于三种类型的应力场，开裂压力与σH/σh呈负相关，与σH/σv呈正相关。

定向水力压裂如图4所示。横向切槽设置在压裂孔部位，在实际工程应用中，裂缝会沿着切槽的方向进行扩展。在钻孔内两个封孔器段内注入高压水后，在横向切槽的端部会产生拉应力集中，在尖端处首先发生开裂，裂缝同时向深部扩展。

图4 定向水力压裂示意图

水利压力机具设备主要有切槽钻头、封孔器、高压注水泵及水量水压监测仪器等。横向切槽钻头主要采用KZ54型切槽钻头，该钻头外径为54mm，对于单轴抗压强度在50～150MPa的岩层均具有很好的适应性。封孔器选用跨式膨胀型封孔器，其构成部分主要有：封孔器头、胶筒、中心管、连杆等。胶筒由钢丝加强的橡胶材料制作而成，注水后即可发生膨胀并封孔。该封孔器具有封孔压力高的特点，同时可划分不同的压裂段，从而在同一钻孔内实现分段逐次压裂。高压注水泵通常选用压力超过60MPa，流量达到80L/min左右的注水泵，在该注水压力和流量下可实现钻孔周边围岩被压裂，且裂缝可扩20～50m左右。水量水压监测仪器选择KJ327-F型，该监控仪器可对压裂过程中高压水的流量及压力进行实时显示和记录，通过与计算机连接可对数据进行实时处理，结构简单、工作可靠、数据处理能力强，对于井下潮湿、恶劣的环境。岩体内产生裂缝后，水压会发生降低，裂隙会向岩层深部扩展，通过数据监测保证坚硬顶板被充分弱化。

3 顶板水力压裂工艺

顶板水力压裂包括封孔、高压水压裂、保压注水三项主要工序，如图5所示。该压裂系统主要由以下几部分组成：静压水进水管路、高压水泵、水泵压力表、蓄存压裂介质水和油的储能器、手动泵、手动泵压力表、快速连接的高压供水胶管、封孔器。

图5 顶板水力压裂示意图

水力压裂坚硬稳定岩层强制放顶施工工艺如图6所示。钻孔内的切槽钻头首先进行横向切槽，预制裂缝，如图（a）所示。孔内预置封孔器，通过人工操作手动泵使封孔器膨胀封孔，如图（b）所示。通过高压泵对封孔段内注入高压水，对岩层进行致裂，如图（c）所示。

水压致裂坚硬顶板具有如下技术优势：①该项技术不同于传统水力压裂，主要针对煤矿井下坚硬顶板难以垮落而设立，因而克服了煤矿井下施工环境差、空间范围狭小等的点。②水力压裂工作效率高，致裂顶板速度快，可满足综采工作面正常回采的要求，随采顶板及时垮落。③水压致裂通常超前工作面来进行，因此不会对工作面的正常回采产生影响。④与采用火工品来爆破预裂顶板相比，水压致裂的安全可靠性更高，致裂范围更大，可在钻孔较少的情况下，取得更好的致裂效果，从而提高施工作业效率。

图6 水力压裂控制坚硬顶板岩层示意图

4 工业性试验

4.1 地质力学参数测试及矿压显现情况

在2-1022巷（与2-100工作面间隔三条大巷，在大巷另一翼）进行了一个测站围岩地质力学测试，测站最大水平主应力为16.18MPa，最小水平主应力为8.38MPa，垂直应力为11.00MPa。最大水平主应力方向为N1.7°E。测站所在巷道顶板以上10m范围内岩层依次分别为细粒砂岩和粉砂岩。细粒砂岩层厚在5m左右，岩层强度约为57.32MPa；粉砂岩层厚在5m左右，岩层强度约为37.45MPa。

工作面初次来压步距30m，平均周期来压步距20.3m，其中工作面上部（靠近2091巷）周期来压步距23m，中部周期来压18m，下部（靠近2092巷）周期来压20m。大部分时间工作面中部先来压，其次是下部，最后是上部，说明工作面中部顶板压力最大，而下部（靠近2巷）顶板压力大于上部（靠近1巷）顶板压力。

4.2 水力压裂卸压参数设计

钻孔参数根据顶板岩层厚度、岩性、矿压显现特点与范围，压裂钻孔布置如下图7所示。为了避免影响工作面正常生产以及施工工期的要求，试验段位置应超前工作面150m。布置压裂钻孔S和钻孔S′，与巷道夹角分别为90°和3-5°。钻孔参数为：1）压裂钻孔-S，钻孔长度40.5m，孔间距为16m，仰角为50°；2）压裂钻孔-S′，钻孔长度 40.5m，孔间距为8m，仰角为50°。压裂钻孔和测站钻孔的施工，钻头直径为56mm，钻杆直径宜采用42mm。

图7 水力压裂钻孔布置图

5 结语

在2-1002巷内进行了定向水压致裂施工后，通过对正常回采段与水压致裂段围岩变形进行对比可知，压裂后巷道顶底板及两帮围岩变形量大大降低，降低量分别为50%和30%，表明水压致裂切顶卸压可有效控制巷道围岩变形，实现工作面安全高效回采。