煤层顶板深孔“钻—切—压”预裂防冲技术试验研究

马文涛，潘俊锋，刘少虹，王书文

(1.煤炭科学研究总院 开采研究分院， 北京 100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部， 北京 100013)

0 引言

冲击地压是一种典型的煤岩动力灾害。近年来冲击地压矿井数量呈井喷式增长，事故频发，造成了人员伤亡、财产损失、资源浪费等严重后果[1]。根据冲击启动理论[2]，冲击地压一般分为3个阶段：冲击启动-冲击能量传递-冲击地压显现。冲击启动类型分为2类：集中静载荷型(纯静载型)和集中动载荷型(动静加载型)。冲击地压灾害的防治需提前至启动阶段。集中动载荷型冲击地压以脉冲载荷或弹性波的加载形式为主要特征，主要包括采空区顶板大面积破断、断层活化、放炮震动以及天然地震扰动等，此类冲击地压的发生与厚硬顶板岩层活动密切相关，一方面悬而不垮，提供基础静载荷，另一方面突然破断，提供动载荷增量。现场工程中广泛应用卸压措施来实现动静载荷疏导。目前针对顶板最常用的卸压法包括顶板深孔预裂爆破以及顶板水力定向压裂，通过弱化顶板，减少顶板分层厚度，使得高应力向围岩纵深处发展，工作面推过时易实现及时垮落，避免高应力集中区，从而有效防治冲击地压。厚硬顶板岩层断裂诱发超前区域冲击地压[3]如图1所示。

图1 厚硬顶板岩层断裂诱发超前区域冲击地压

顶板深孔爆破预裂技术[4-8]是将控制爆破技术引入到冲击地压防治领域，一段时间内发挥了重要作用，但该技术有其局限性，爆破产生的能量也会推动冲击启动的进程，加剧冲击地压的显现。此外，由于国家相关政策的限制，炸药、雷管等爆破所需设备和火工品都会受到严格控制，导致供需紧张，难以及时满足卸压要求，从而阻碍防冲效果的实现。顶板水力定向压裂技术[9]是采用小刀片人为地在地层中旋转切割一个定向预裂缝，注入高压液，将岩体沿定向预裂缝致裂。康红普等[10-11]通过采用空心包体监测煤层应力的变化，研究了水力压裂机理及评价压裂效果，并进行了水力压裂起裂与扩展分析。连志龙等[12]采用 ABAQUS 建立了水力压裂计算模型，模拟了地应力、岩石力学特性、压裂液流体特性等各种复杂因素对水力压裂扩展的影响。杜春志等[13]理论上分析了裂缝壁面的受力状态,根据最大拉应力准则,给出了原级裂隙扩展的力学条件,进而分析了空间壁面裂隙扩展的力学条件。黄炳香等[14-15]通过理论分析，研究了水力致裂过程中的裂纹产生规律。

综上所述，目前顶板定向水力压裂在煤矿顶板预裂中得到了推广应用，但是缝槽的预制则需要退出全部钻杆，重新推入刀具并依靠小刀片旋转切割形成，该技术适应性差，成缝质量不高，刀具易磨损。高压水射流技术目前广泛应用于煤层瓦斯增透，开采低渗、边际油田以及页岩气、煤层气等非常规能源，但是尚未应用于顶板预裂。通过高压水射流能够在不退钻杆的前提下完成缝槽预制，增加预制缝槽的深度与宽度，有效降低裂缝起裂压力，增加裂缝扩展半径。为此，本文提出钻孔、高压水射流切缝、高压水力致裂(钻-切-压)一体化预裂顶板防冲技术，在顶板深孔内，利用高压水射流冲击顶板岩层并产生缝槽，然后以缝槽为导向进行高压水力压裂，以达到对周围岩层产生大范围致裂作用，从而防治顶板动载荷诱发冲击地压。在葫芦素煤矿进行了顶板“钻-切-压”一体化预裂顶板防冲技术试验研究，效果良好。

1 “钻-切-压”一体化技术

1.1 技术原理

集中动载荷型冲击地压防治的重点在于快速、有效的顶板预裂弱化，使厚硬顶板及时垮落，避免较长距离悬而不垮。顶板深孔“钻-切-压”技术原理如图2所示，形成的“钻孔-缝槽-裂隙”结构如图3所示。“钻-切-压”一体化技术原理：在水力压裂前，对压裂位置提前进行高压水切缝，压裂时在高压水作用下，缝槽深部的应力集中程度将高于封隔段压力，当缝槽深部压力大于岩层裂缝起裂压力时，岩层裂缝就会起裂并扩展，因此，裂缝将在高压水射流切割的缝槽内进行起裂与扩展，并且由于封隔段压力低于岩层裂缝起裂压力，其他位置不进行裂缝的起裂与扩展。

1.2 工艺流程

(1) 施工钻孔：利用钻机在指定位置，按照设计角度施工水力压裂孔。

(2) 高压射流切缝：在不退钻杆的前提下，通过转换装置切换至高压射流状态，在坚硬顶板位置进行高压射流切缝，切缝时间为5～10 min，切缝过程中观察流水浑浊度，待水流变清澈后停止切缝。

(a) 钻孔、切缝阶段

(b) 压裂阶段

图3 “钻孔-缝槽-裂隙”结构

(3) 定点压裂：撤出钻杆，在钻杆前部安装封隔器，缓缓将封隔器送至最里侧的切缝位置，采用后退式单孔多次压裂。若顶板出现异响和大面积出水，及时停止压裂。压裂时间为30 min，根据水压变化和岩层出水情况调整。工艺流程如图4所示。

1.3 顶板“钻-切-压”预裂防冲必要性

通过“钻孔-水射流切缝-水力压裂”一体化防冲技术与装备进行顶板弱化，破坏厚硬岩层的完整性，改变其物理属性，降低其强度，使局部应力释放，有效降低其冲击性，工作面回采后顶板能够及时垮落，降低应力集中程度，减弱基础静载荷以及动载荷增量，从而保证工作面安全回采。

2 工程试验

2.1 矿井概况

葫芦素煤矿目前开采2-1煤层，埋深为634～643 m。煤层倾角为-3～+3°，煤层平均厚度为2.54 m。采用长壁后退式采煤法和一次采全高综合机械化采煤工艺进行回采，用全部垮落法处理采空区顶板。总体构造形态为一向北西倾斜的单斜构造。区内断层不发育，无岩浆岩侵入体，井田地质构造简单。

图4 工艺流程

21103综采工作面位于葫芦素井田2-1煤层一盘区，是一盘区第2个综采工作面，工作面长度为319.6 m，推进长度为4 150 m。 煤层上方含有23.35 m厚的单层中粒砂岩，单轴抗压强度为50～60 MPa，岩性特征见表1，其破断特征将对21103工作面两巷矿压显现规律及顶板来压规律造成显著影响，坚硬顶板是诱发冲击地压的主要因素。

表1 岩性特征

受邻近21102工作面采空区影响，21103工作面回风巷矿压显现剧烈，主要表现为强烈底鼓、顶板下沉，局部破坏具有冲击地压特征。冲击地压发生位置在超前冲击区(临空)。冲击地压显现位置如图5所示。目前，21103工作面已经开始回采，二次采动导致回风巷矿压显现更为剧烈，临空侧超前段巷道变形严重，影响巷道正常使用，同时冲击地压发生频繁，冲击现场如图6所示。

图5 冲击地压显现位置

(b) 单体被瞬间压弯

2.2 试验设备

(1) 钻机：选用ZDY1200LPS型煤矿用全液压坑道钻机，是一种动力头式钻机，该钻机转数范围宽、扭矩大、起拔能力强，能够满足钻进各种用途钻孔的需要。

(2) 高压水泵：选用HSA11032A-95/60Y移动式三柱塞高压泵，流量为95 L/min,额定压力为60 MPa。

(3) 射流器：确定射流器为对称双孔、锥形口，孔径为2 mm，可与钻头、高压钻杆配套使用。

(4) 其他：钻头、钻杆、压裂杆、封隔器、高压水辫等须配套使用，并满足耐压不低于80 MPa要求。

3 效果分析

3.1 压力监测

图7为压裂施工过程中压裂记录仪显示的工作状态，以压力-时刻曲线表现。从图7可看出压裂时压力随时间变化的情况，在压裂过程中，压力有不同程度的上下波动，在图中显示为极其紧密的锯齿形态，裂缝与原生裂隙及次生裂隙贯通引起水压下降，表明顶板中裂缝逐步扩展，每次扩展的尺寸各不相同，岩层的非均质性、地应力大小、方向变化及结构面等因素都会造成裂缝扩展尺寸的随机性。

图7 压裂时压力-时刻曲线

3.2 水射流缝槽窥视

采用智能钻孔电视成像仪进行了钻孔径向缝槽原位窥视，缝槽平面展开图如图8所示。通过窥视仪配套软件对钻孔深部岩石表面缝槽宽度进行测量，结果显示缝槽宽度在4～5 mm之间，略大于喷嘴直径。

(a) 切缝宽度为4 mm

(b) 切缝宽度为5 mm

由于预制缝槽位于钻孔深部，无法观测切缝深度，取相应岩石开展了实验室试验，试验条件下缝槽深度可达150 mm，径向缝槽半径可以达到钻孔半径的4.5倍。

3.3 “钻-切-压”致裂半径观测

设置35 m深度的钻孔进行致裂半径检验，对比分析检验孔出水情况，进而确定致裂半径。

3.3.1 检验方案

在21103运输巷设置压裂孔X，同时在其周围设置4个检测孔(B1—B4)，如图9、图10所示，具体参数见表2。按照设计要求切缝压裂孔3次。压裂过程中，观察检验孔及周边锚索孔出水情况。

图9 压裂孔及检验孔布置

图10 切缝-压裂位置

表2 压裂孔及检验孔布置参数

3.3.2 出水情况

第1次压裂18 min后，所有检测孔出水，其中B1、B3出水量大。第2次压裂10 min后，所有检测孔出水，其中B2、B4出水量大，周边6 m锚索开始出水。第3次压裂8 min后，所有检测孔出水，周边15 m锚索开始出水。

3.3.3 卸压效果

分析实施“钻-切-压”一体化技术卸压措施区域(试验段)与未实施“钻-切-压”一体化技术卸压措施区域(正常段)应力计变化情况，如图11所示。从图11可看出,实施“钻-切-压”一体化预裂技术可有效降低巷道应力水平，降幅达50%以上，现场实测应力平缓变化，微震频次和能量无急剧变化，保证了工作面顺利安全回采。

图11 巷道煤柱侧与回采侧应力计变化情况

“钻-切-压”一体化技术在煤层坚硬顶板预裂和高应力巷道卸压方面有独特优势，利用高压水射流切割煤层厚硬顶板，预制出一个圆盘状横向缝槽，增大缝槽宽度与深度，有效降低裂缝起裂压力，注入高压水，切缝+压裂可以破坏厚硬顶板完整性，弱化顶板，增加顶板的分层数，减少顶板的分层厚度，使得工作面推过后，煤层顶板能够及时垮落，减小悬顶长度以及悬顶面积，降低或消除厚硬顶板对工作面以及巷道的危险程度。另一方面，通过弱化顶板形成破碎结构，使得高应力区向深部转移，达到卸压的目的。相比机械刀具式预制缝槽来说，施工工艺简单，安全高效，在不退钻杆的前提下完成缝槽预制，缝槽深度与宽度显著增加。

4 结论

(1) “钻-切-压”一体化技术与装备在不退钻杆的前提下能够进行人工切槽，并采用单孔后退式多次压裂，提高了施工效率。

(2) 使用的对称双孔型高压射流器能够高效形成4～5 mm宽的人工缝槽，增大了切缝效果，并降低了压裂时裂缝起裂压力，扩展了压裂半径。

(3) 现场测试结果表明，单轴抗压强度为50～60 MPa的顶板岩层，单次压裂半径最大可达15 m。

(4) “钻-切-压”一体化技术可弱化顶板，使得现场实测应力平缓变化，临空巷道附近高能微震事件数量大幅减少，微震频次和能量无急剧变化，保证了工作面顺利回采。