综采工作面水力压裂切顶卸压留巷技术

王文文

（霍州煤电集团有限责任公司回坡底煤矿生产技术科，山西 洪洞 041600）

1 工程概况

回坡底矿10-103工作面位于东一采区右翼，工作面走向长度为1360m，倾斜长度为200m，主采10#煤层，煤层均厚为2.7m，平均倾角为5°。煤层直接顶为砂质泥岩，均厚2.6m；基本顶为细粒砂岩，均厚2.15m；基本顶上方为中砂岩，均厚为6m。为增强工作面的通风能力，在回风巷一侧采用双巷布置的形式，即布置回风巷与瓦排巷，两巷之间的煤柱宽度为30m，其中为了保证瓦排巷能够为下一个工作面服务，采用定向水力压裂切顶卸压技术进行留巷作业。

2 定向水力压裂切顶原理

定向水压致裂的切顶卸压原理与采用水压致裂测试地应力的方法基本相同，在清楚区域的地应力分布状态后，设计合理的水力压裂致裂措施，保证沿着设定的方向产生裂隙面，以达到切顶卸压的目的。

当最小主应力为最小水平应力，并且最小水平应力与回采巷道的轴线方向垂直时，此时便可通过最小主应力对裂隙面进行控制，从而在沿着悬臂结构的变形切出一条垂直裂隙。在定向水力致裂切顶卸压时，岩层在水压作用下会形成垂直于最小水平主应力的裂隙面，钻孔与裂隙会处于相同的平面内[1-2]。

当最小主应力接近于水平方向且与巷道轴线的夹角较小或者接近于垂直方向时，在不采取特殊措施的条件下对岩层进行水力压裂时，便可能形成垂直巷道轴线的裂隙面或水平裂隙面，从而达不到切割悬臂结构的目的。水力压裂作业时必须对钻孔压裂段进行预先处理，来引导水压裂隙面沿着该方向发育。根据相关研究与现场应用[3-4],采用机械式钻头在钻孔内切槽已经能够实现，在进行切槽作业时进行横向切槽，即保证切槽方向与钻孔方向相垂直，如图1所示。通过在回采巷道煤柱上方布置一个或多个倾斜钻孔，并在钻孔内孔壁环向进行横切槽，该槽能够有效地引导裂隙向着横向切槽发展，确保悬臂结构能够充分冒落，达到卸压的目的。

图1 横切槽时水力压裂作业示意图

3 定向水力压裂卸压留巷试验

3.1 定向水力压裂卸压方案

根据10-103工作面的地质资料显示，工作面回采巷道轴向与最小水平主应力的夹角很小，故根据前述分析能够预计出水力压裂面与巷道轴向会基本呈垂直状态，裂隙面的扩展方向不利于切落悬臂结构。为有效地实施水压致裂切顶卸压作业，采用钻孔切槽措施来引导裂隙面的扩展方向。

为了不对工作面的正常回采产生影响，结合上述分析，将水力压裂的钻孔布置在回风顺槽超前工作面150m的位置处，共布置110m长度的水力压裂段，布置形式如图2所示。沿着回风巷共布置12个钻孔，钻孔长度为30m，直径为56mm，孔之间的间距为10m，钻孔仰角为50°，在水平方向的投影与煤壁之间的夹角为75°。在进行钻孔开槽作业时，采用倒退式的开槽顺序，在每个钻孔内共布置7个槽，槽与槽之间的间距为3m，其中7#槽距离孔底为20m，1#槽距离孔底为2m。

在进行水力压裂作业时，为确保水力压裂能够产生充足的裂隙，确定注水压力为60MPa，水力压裂施工顺序如下：

（1）先安装水压仪和封孔器，在封孔器安装完毕后，通过连接静压水管对封孔器进行排气试压，确保其能正常工作。在注水钢管与高压胶管的连接处安设水压仪器，用来对水力压力进行监测。

（2）在安装连接以及调试工作结束后，通过注水钢管将封孔器推送至设定的位置处后进行封孔作业。注水压裂施工时从孔底处开始1#～7#槽依次进行压裂作业。

（3）在注水时逐渐加压，当注水压力达到10MPa时停止加压操作，通过观察钻孔并监测压力表，对封孔器的保压效果进行观测，确保封孔器的正常工作，出现问题时及时解决。

（4）在提高水力压力时，及时记录压力表和流量计上显示的数据。将注水压力提升到预裂缝开裂时，压力表的数据会出现突然下降，此时应进行保压注水操作，以使裂纹能够持续扩展。当巷道围岩表面出现渗水或者有水冒出时，即代表着水力压裂操作的完成，应及时停止压裂作业。

（5）单孔水力压裂操作完成后，进行断电、停水、封孔器卸压操作，这些操作完成后即可进行下一个钻孔的水力压裂作业。

图2 水力压裂钻孔布置位置示意图

3.2 定向水力压裂效果分析

为对10-103工作面采用水力压裂的效果进行分析，通过在水力压裂段和非水力压裂段布置两个测站，对巷道的顶底板移近量、煤柱的垂直应力分布进行监测。

（1）巷道表面位移监测分析

在瓦排巷5#横贯的两侧分别布置2个位移观测站，对留巷水压致裂段和非水压致裂段的巷道顶底板移近量进行监测，测点间隔10m，分别将监测点命名为压1～压2和非1～非2。根据监测结果得出留巷的顶底板移近量—时间曲线如图3所示。

图3 留巷顶底板移近量变化曲线

根据图3能够看出，在采动压力影响下压裂段的顶底板移近量明显小于非压裂段的顶底板移近量。根据曲线的整体形态显示，随着监测点距离工作面距离的增大，巷道顶底板移近量表现出逐渐增大的趋势。当测点在超前工作面80m的位置处，压裂测点的顶底板移近量约为300mm，相应的非压裂测点的顶底板移近量约为500mm，水力压裂段顶底板的移近量降幅约为50%。另外根据巷道两帮位移量的监测结果可知压裂段两帮移近量相对于非压裂段两帮移近量降低了30%。

（2）煤柱垂直应力监测分析

在水压致裂段3#横贯内煤帮上布置4个水平钻孔，即超前工作面150m的位置处布置钻孔。孔深10m，孔径为42mm，钻孔距离巷道底板的高度为1.5m。在4个钻孔内分别安装4组钻孔应力计，并依次对其编号为1#～4#，4组钻孔应力计距离回风巷煤柱表面的距离为4m、6m、8m、10m。作为对比，在非压裂段的5#横贯处同样的位置处，同样的布置参数，布置4个水平钻孔，分别编号为5#～8#。将所得数据绘制成曲线如图4所示。

根据图4能够得出，在压裂段，当测点距离工作面＞50m时，垂直应力的变化值较小；当距离工作面＜50m时，煤柱的垂直应力的上升速度出现明显的加快趋势。随着工作面的持续推进，当测站在距离工作面约为15m的位置处，煤柱上的垂直应力出现峰值，约为23MPa。随着工作面的进一步推进，应力出现快速的下降，在工作面推过测点约20m的位置处应力基本稳定。在非压裂段，距离工作面＞50m时，垂直应力的变化较缓慢；在距工作面＜50m时，应力出现快速上升。当工作面推过测点后，应力会进一步增大，在工作面推过测点30m时，垂直应力依旧在持续增大，并未出现稳定。

图4 煤柱垂直应力分布曲线

根据上述分析可知，水力压裂能够显著减少留巷的表面位移，有效地控制留巷的巷道变形量，并能够控制煤柱的应力在工作面前方约15m的位置处逐渐下降，并在工作面推过约20m的位置处稳定下来。

4 结论

通过分析定向水力压裂切顶卸压的原理可知，当最小主应力接近于垂直方向时，采用定向水力压裂技术时需在孔内切槽来引导裂纹扩展保证切顶效果。根据10-103工作面的具体地质条件对定向水力压裂切顶卸压方案的各项参数进行具体设计，根据矿压监测数据可知水力压裂后，顶底板移近量降低50%，两帮移近量降低30%，有效地控制留巷的围岩变形，卸压效果明显。