冲击地压矿井水射流联合水力压裂宽煤柱卸压技术研究

2020-06-30庞立宁刘毅涛邸晟钧苏士杰丁国利

煤炭工程 2020年6期

庞立宁，刘毅涛，邸晟钧，苏士杰，丁国利，姜峰

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013；2.乌审旗蒙大矿业有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯 017307；3.山西焦煤集团有限责任公司，山西太原 030053；4.中天合创能源有限责任公司葫芦素煤矿，内蒙古鄂尔多斯 017000；5.中煤西北能源有限公司，内蒙古鄂尔多斯 017200)

中天合创能源有限责任公司葫芦素煤矿21103工作面开采2-1煤，煤层平均厚度2.54m，工作面采深634～643m，自重应力大。经鉴定，煤层及顶板均具有冲击倾向性，尤其煤层顶板多为厚硬的砂岩，在煤层采空后极易悬顶，导致采空区周边巷道发生应力叠加。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，导致回风巷在21102工作面后方开始出现大变形，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。加之21103工作面开采时，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，同时冲击地压风险日益突出。21103工作面回采时，工作面后方的煤柱即将成为孤岛煤柱，加之21102工作面采空区侧向支承压力的影响，在现有煤柱宽度下，会积聚较大的弹性能，存在冲击地压危险。针对以上情况，进行“钻-切-压”一体化卸压技术研究，减少了21103工作面回风巷区段煤柱内弹性能积聚，同时为了减少煤柱卸压对巷道支护产生的负面影响，进行了定向水力压裂切顶来减少顶板岩层向煤柱上的应力传递。

1 工作面概况

21103工作面为综合机械化一次采全高工作面，开采2-1煤，煤厚约为2.30～2.93m，该煤层结构简单，呈大型的宽缓波状起伏，地层倾角一般在1°～3°，为近水平煤层，煤层普氏硬度系数f=2.5。煤层结构整体简单，局部含一层至两层夹矸，夹矸岩性一般以砂质泥岩为主，存在有中、细粒砂岩的情况，工作面顶底板岩性见表1。21103工作面共沿煤层顶板布置3条巷道：主运巷，辅运巷，回风巷(断面尺寸5.4m×3.35m)，支护方式均采用“锚杆+锚索+钢筋梯子梁+金属网”。21103工作面一侧为21102工作面采空区，一侧为21104工作面，21103工作面与21102工作面和21104工作面之间存在30m宽的区段煤柱，如图1所示。

表1 21103工作面顶底板岩性表

图1 21103工作面位置示意图

2 区段煤柱弱化卸压机理

根据矿山压力理论“压力拱假说”，在采场上方，由于岩层自然平衡的结果，会形成一个“压力拱”，压力拱拱脚位置为应力增高区，压力拱下方区域为减压区。在对煤柱弱化前，21103工作面与21102工作面之间的区段煤柱内会承受较大的侧向支承压力，积聚较大的弹性能，该位置处于压力拱拱脚位置，对煤柱进行弱化后，煤柱内塑性变形区范围增加，应力会向围岩深部转移，压力拱拱脚外移，此时可以减少区段煤柱内的弹性能积聚[3，4]。

在区段煤柱内进行水射流切缝扩孔在一定程度上可以破坏煤体完整性，射流切缝扩孔产生的空间为煤柱内积聚的弹性能提供了释放空间[1，2，5]。

区段煤柱内煤体完整性遭到破坏之后压力拱脚外移后，21103工作面回风巷回采侧煤帮内部，会出现应力集中现象，为防止临近21103工作面回风巷的21103工作面煤体弹性能积聚，减少21103工作面回风巷冲击地压危害程度，也需对21103工作面回风巷回采帮煤体进行弱化，使得高应力向工作面深部转移，从而使得高应力区远离21103工作面回风巷。根据此思路，制定以下弱化方案。

3 区段煤柱弱化方案与实施效果

3.1 区段煤柱弱化方案设计

3.1.1 工艺参数确定

基于不同煤矿地质条件下水力压裂致裂区域大小是不同的这一现实情况，为了保证21103工作面回风巷的水力压裂效果，在21103工作面回风巷未受采动影响区域进行了现场试验，并以此确定“钻-切-压”一体化卸压技术工艺参数，通过现场监测发现，葫芦素煤矿21103工作面回风巷附近区域水力压裂扩散半径达12～15m，因此确定煤层压裂孔间距为24m。煤层压裂孔和煤层切缝孔深度的确定是基于两方面原因：①21103工作面回风巷煤柱帮安装的应力计显示5～12m为应力集中区，应力峰值位于8m处；②现场试验打钻过程中也发现，钻孔打至5m时，钻屑量明显增加，一直到12m时，钻屑量才降下来，这说明15m深钻孔足以穿透应力峰值区。

3.1.2 弱化方案

如图2所示，在巷道两帮布置钻孔进行水力压裂，形成大范围煤层破裂区，钻孔直径75mm，孔深15m，孔间距24m，垂直于巷帮布置，每孔压裂2次，采用封隔器压裂。水力压裂对煤体进行了初步弱化，而后在压裂孔之间进行钻孔射流切缝扩孔(在初步弱化煤体内进行射流切缝扩孔的效果优于坚硬完整煤体)，具体步骤为：射流钻孔布置完毕后，在不退钻杆的情况下，实现定点高压水射流切缝，钻孔直径127mm，孔深15m，孔间距6m，割缝条数3条/孔，缝间距4m，浅部切缝距离巷道表面7m。

图2 煤帮“钻-切-压”一体化卸压方案

3.2 区段煤柱“钻-切-压”效果检验

3.2.1 水压监测

为了分析裂隙扩展情况，采用专用高压记录仪对水力压裂过程中压裂压力的变化情况进行了实时监测。水压数据监测结果表明，水力压裂过程中泵压最高时可达45MPa，这说明部分地点煤体致密、强度较高、完整性好。水压曲线总体呈现三种形态：

21103回风巷某一压裂孔压裂曲线如图3(a)所示，压裂初期存在一次压力降，加压约4min后压力骤降7MPa，同时15m外钻孔开始出水，之后继续加压，压力上升不明显，附近钻孔持续出水。

图3 水力压裂过程水压监测曲线

压裂孔2压裂曲线如图3(b)所示，第一次增压至30MPa，维持约1min后压力骤降12MPa，表明裂缝第一次扩展；第二次增压至41MPa，之后骤降15MPa，表明裂纹第二次扩展；第三次增压至39MPa，之后骤降至23MPa，表明裂缝第四次扩展，约2min后，裂缝再次大幅扩展，压力骤降至0；之后再次增压无效。

压裂孔3压裂曲线如图3(c)所示，压力增加至30MPa左右后，保持了30min的稳定状态，压裂曲线基本平直。这表明裂缝稳步扩展，并形成了稳定水流扩展通道。

在水力压裂过程中，能观测到致裂孔两侧钻孔持续流水，说明钻孔之间煤体已经被水力压裂产生的裂隙所弱化。

3.2.2 钻孔窥视

为了掌握钻孔内射流效果，采用钻孔窥视仪对煤体“钻-切-压”钻孔进行了窥视，如图4所示。通过钻孔窥视结果可以看出，高压水射流可以在煤体内产生宽度4～6mm的人工切缝，人工射流切缝的环向宽度也比较均匀。与之形成鲜明对比的是，自然裂缝的宽度较小，且宽度不均匀。

图4 水射流切缝效果

煤层钻孔后，利用高压水射流技术孔内切缝扩孔，大幅提高单孔卸压范围和强度，在减少对巷道支护段的破坏的同时，实现深部高应力区强力卸压，“钻孔-压裂-切缝组合工艺”可最大限度的弱化煤体强度，卸压效率是常规钻孔的数倍以上，尤其适用于坚硬冲击地压煤层。

21103工作面回风巷区段煤柱弱化后，势必会对21103工作面回风巷临空煤柱侧支护产生负面影响，为了改善巷道支护环境，可进行定向水力压裂切顶来减少顶板岩层向煤柱上的应力传递。

4 临空煤柱切顶卸压机理

由于受到采空区侧向悬顶(悬臂梁结构)自重及弯曲下沉产生的高附加应力的影响，临采空区煤柱始终处于高应力状态。影响临采空区煤柱内支承压力水平的主要因素有：采空区侧向悬顶块体B的长度厚度(直接影响悬臂块体在采空区悬露部分的自重)、悬臂块体B受到的与其形成铰接结构的岩块C给其的铰接反力[7-9，14]。临采空区巷道顶板大深度定向水力压裂切顶卸压技术手段，通过设计合理的定向水力压裂参数，可以切断临空煤柱侧向悬顶，从而阻断向临采空区煤柱传递高应力的力源，缓和了临采空区煤柱的应力环境，降低了临空煤柱上的支承压力[1，6]，切顶卸压原理如图6所示；同时定向水力压裂切落下的冒落矸石会充填部分采空区，减少了上覆高位岩层的回转空间，支撑了上覆呈“长悬臂梁”结构的高位岩层，某种程度上降低了复合“悬臂梁-铰接岩梁”结构内C岩块对B岩块的铰接反力，定向水力压裂切顶卸压前后临采空区煤柱上方和侧向顶板覆岩结构特征如图5和6所示。其中K代表矸石压缩刚度，S1代表“悬臂长梁”结构岩块B的下伏矸石压缩量，S2代表与悬臂岩块B呈铰接结构的岩块C的下伏矸石压缩量。

图5 水力压裂切顶卸压前后煤柱内应力变化图

图6 切顶卸压原理图

国内外研究及应用表明，采用定向水力压裂技术可在巷道高应力岩层中形成一个弱化带，从而削弱巷道周围的高应力或将高应力转移到远离巷道的煤岩体，缓解侧向和残余支承压力对采区巷道稳定性的影响，达到巷道卸压、缓解片帮和底鼓的目的。

5 临空煤柱切顶卸压方案与实施效果

5.1 临空煤柱切顶卸压方案设计

为了确定顶板中水力压裂扩散半径，在距超前工作面约600m以外21103主运巷顶板较完整区域布置了不同深度试验压裂孔和检测孔进行了压裂效果检验，浅孔(孔深15m)压裂效果检验表明，单次压裂半径约9～15m，多次压裂半径约15m，深孔压裂效果检验表明，顶板往上30～50m范围压裂时，裂隙扩展半径大于7.5m，因此确定水力压裂切顶孔孔间距15m。

针对21102采空区坚硬悬顶，采用高压水泵配合专用高压切缝钻杆、高压封隔器，进行超前定向水力压裂切顶。定向水力压裂切顶孔单排布置，倾角分为两种：一种倾角45°，孔深57m，在57m和43m位置射流切缝；一种倾角30°，孔深46m，在46m和34m位置射流切缝。两种切顶孔孔径均60mm，孔间距15m，定向水力压裂切顶孔布置如图7所示。