综采工作面水力压裂试验研究与应用

苏 岳，赵文军，王利民

(1.山西阳煤集团 新景矿煤业公司， 山西 阳泉 043300； 2.河南理工大学， 河南 焦作 454000)

水力压裂技术是指在钻孔压裂段预制裂缝，控制水力压裂裂纹扩展方向的技术，对坚硬顶板的控制有着明显的效果，主要表现在压裂和软化两个方面，以削弱顶板的强度和整体性，使采空区顶板能够分层分次垮落，缩短初次来压和周期来压步距，达到减小或消除坚硬难垮顶板对工作面回采危害的目的[1].

阳煤集团新景煤矿3107工作面辅助进风巷为了降低沿空留巷巷道围岩高应力，提高沿空留巷巷道安全稳定性，采用了水力压裂切顶卸压技术。

1 工作面基本情况

新景矿3107工作面位于保安分区，该工作面进回风巷主要服务于3107工作面。3107工作面东为3105工作面(已采)，南为保安区7208、7210工作面(已采)，西为3109工作面(未掘)，北隔采区大巷3108工作面(未掘)。工作面地面标高1 020～1 215 m，井下标高555～596 m，巷道平均埋深542 m. 3017辅助进风巷沿3#煤层顶板掘进，巷道全长1 487 m，巷道断面为矩形，净宽5.0 m，净高2.8 m，掘进宽度5.2 m，掘进高度2.9 m.

2 煤层基本参数测定

2.1 3#煤层应力测定

在工作面布置测点，测点深度595.3 m，对3#煤层地应力、煤岩体强度和围岩结构等地质参数进行测定。测试数据显示，测点所处位置最大水平主应力11.45 MPa，最小水平主应力6.35 MPa，垂直主应力14.88 MPa.测点处垂直应力>最大水平主应力>最小水平主应力，原岩应力场为中等应力值场，垂直应力占优势，最大水平主应力方向为北偏东51.7°.

2.2 围岩强度测试及分析

采用WQCZ-56型围岩强度测试装置对巷道顶板以上及巷帮10 m范围内的煤岩体进行原位强度测试[2]. 对测试数据经过统计、换算后，得到该矿顶板和巷帮煤岩体强度分布情况，见图1，图2.

图1 测点处顶板岩体强度及岩性测试结果图

图2 测点巷帮顶板强度测试曲线图

由图1可知，3#煤层顶板10 m范围内与锚杆支护直接相关的煤岩体岩性主要以砂质泥岩和中粒砂岩为主，顶板以上0～4.1 m为砂质泥岩，岩层强度平均值为51.34 MPa；4.1～4.8 m为中粒砂岩，岩层强度平均值为92.39 MPa；4.8～6.7 m为砂质泥岩，岩层强度平均值为59.06 MPa；6.7～9.8 m为中粒砂岩，岩层强度平均值为84.07 MPa. 由图2可知，3#煤体强度值绝大多数集中在8～14 MPa，经计算，其强度平均值为11.49 MPa，煤体中硬，完整性相对较好。

3 水力压裂参数确定

3.1 压裂参数初始设计

该矿3107辅助进风巷计划水力压裂段长度为300 m，采用单侧孔施工。基本施工顺序：采用窥视仪观察顶板岩层结构→确定压裂参数→压裂钻孔施工→实施压裂→压裂监测。为不影响工作面正常生产，钻孔位置距离工作面应大于100 m. 钻孔参数根据顶板岩层厚度、岩性、矿压显现特点与范围确定。压裂钻孔采用双侧布置，工作面侧钻孔在巷帮开孔，简称S孔，采用地质钻机打孔，钻孔d56 mm，位置距顶板1 m，钻孔水平投影与巷道轴线方向成16°夹角，仰角为50°，孔间距为10 m，钻孔长度为50 m，为了保证压裂过程中巷道顶板安全，钻孔压裂深度为11.7～50 m，每3 m压裂一次，每孔压裂12～13次，每次不少于30 min.钻孔在工作面试验长度见图3.

图3 3107辅助进风巷水力压裂区域图

3.2 压裂参数

煤岩体在水力压裂过程中，高压水作用于煤体使其产生破裂形成裂缝，用于计算煤岩体的破裂准则较多，适用于水力压裂的主要有拉伸破坏准则和剪切破坏准则。目前，拉伸破裂准则在裂缝起裂准则中获得广泛应用，该准则认为裂缝起裂压力和起裂角取决于主应力分布状态[3-4].水力压裂破裂前的孔周应力主要包括原岩地应力场、孔内流体压力和钻孔的集中应力。

根据3#煤层顶板10 m范围内与锚杆支护直接相关的煤岩体岩性主要以砂质泥岩和中粒砂岩为主，顶板以上0～4.1 m为砂质泥岩，岩层强度平均值为51.34 MPa，3#煤体强度值绝大多数集中在8～14 MPa，经测试计算可知，3#煤体强度平均值为11.49 MPa，考虑裂纹扩展过程中的滤失、变向、多裂缝扩展以及一定的富裕系数，确定高压注水泵的压力为62 MPa，流量为80 L/min.

4 现场试验研究

4.1 钻孔施工和压裂情况

根据新景矿采掘衔接安排，3107辅助进风巷水力压裂卸压工程首先施工S1号钻孔，共施工及压裂钻孔24个。3107工作面回采时间超前于钻孔施工，随着工作面推进逐渐进入压裂区域，到工作面采过压裂区域，对回采期间的矿压监测数据进行收集及分析。

在水力压裂施工过程中，全程对钻孔压裂位置及压力、出水情况进行监测，S7单排孔施工和压裂记录见表1. 由表1可以看出，不同钻孔压裂压力有较明显的差距，同一钻孔不同压裂位置压裂压力也不相同。

表1 S7钻孔水力压裂记录表

通过施工可知，该矿钻孔深部压裂压力大于浅部孔压裂压力，钻孔深部压力基本集中在18～20 MPa，钻孔浅部压力基本集中在14～16 MPa. 在钻孔角度不变的情况下，压裂压力主要跟岩体抗拉强度和地应力大小有关，压裂压力均低于注水泵的最大压力62 MPa，钻孔不同深度下均实现了岩体的张开破坏，降低了巷道顶板50 m范围内岩体的完整性，压裂效果良好。通过施工记录和水压仪压力监测曲线可知，每次压裂压力较为稳定，说明裂隙已张开，且持续加压，可以保证裂隙扩展到两孔之间，现场已将顶板压裂及注水软化，在压裂的过程中，临孔出水或者顶板淋水，锚杆、索出水，则停止压裂，证明深部岩体已经形成裂隙，起到了弱化顶板的作用。

4.2 矿压监测与分析

为验证水力压裂切顶卸压方案实施效果，在3107工作面辅助进风巷水力压裂地段和非水力压裂地段布置巷道矿压综合监测站，监测内容包括：巷道变形、锚杆锚索受力等，测站布置见图4.

4.2.1锚索受力监测与分析

在压裂段共监测两组锚索受力测站，分别位于图4中2#测站(推进度550 m处)和5#测站(推进度600 m处)，非压裂段监测一组锚杆锚索受力测站,位于7#测站(推进度700 m处)，以分析水力压裂区域和非压裂区域的锚杆锚索受力变化。2#测站(压裂段)锚杆锚索受力监测见图5，5#测站(压裂段)锚杆锚索受力分析见图6. 7#测站(非压裂段)锚杆锚索受力分析见图7.

图4 锚索锚杆测站与位移测站布置图

图5 2#测点锚索锚杆受力变化图

图6 5#测点锚索锚杆受力变化图

图7 7#测点锚索锚杆受力变化图

由图5可知，2#测站位于水力压裂段，初始受力顶锚索受力80 kN，顶锚杆受力100 kN，帮锚杆受力75 kN，随着工作面回采推进，顶锚索和顶锚杆受力均处于持续增加态势，在距回采工作面80 m左右时开始持续增加，最终受力为顶锚索104 kN，顶锚索受力增加24 kN，顶锚杆最终受力122 kN，受力增加22 kN，帮锚杆最终受力100 kN，受力增加25 kN.

由图6可知，5#测站位于水力压裂段，初始受力顶锚索受力120 kN，顶锚杆受力100 kN，帮锚杆受力100 kN，随着工作面回采推进，顶锚索和顶锚杆受力均处于持续增加态势，在距回采工作面100 m左右时开始持续增加，最终受力为顶锚索140 kN，顶锚索受力增加20 kN，顶锚杆最终受力125 kN，受力增加25 kN，帮锚杆最终受力117 kN，受力增加17 kN.

由图7可知，7#测站位于非水力压裂卸压段，初始顶锚索受力145 kN，顶锚杆受力95 kN，帮锚杆受力83 kN，随着工作面回采推进，顶锚索和顶锚杆受力均处于持续增加态势。

对比分析3107辅助进风巷水力压裂段和非水力压裂段锚杆锚索受力情况可见，水力压裂卸压对巷道锚杆锚索受力影响并不明显，这主要是因为锚杆锚索主要在巷道浅部10 m围岩中布置，而水力压裂对巷道浅部围岩不进行预裂，仅对巷道顶板深部围岩进行预裂与软化，没有破坏巷道浅部煤岩体完整性，对巷道锚杆锚索支护体受力影响较小，压裂和非压裂段支护体受力差异不大。

4.2.2巷道表面位移变化与分析

在压裂段共布置8组表面位移测站，分别布置于图4中1#—8#测站处，其中压裂区域布置5组，非压裂区域布置3组，以分析对比水力压裂区域和非压裂区域巷道位移量的变化情况，见图8，9.

图8 水力压裂区域巷道表面位移观测曲线图

统计分析图8中不同测点水力压裂区域巷道变形数据，主要观测数据如下：1#测站两帮移近量为190 mm，顶底移近量为753 mm；2#两帮移近量70 mm，顶底移近量680 mm；3#两帮移近量160 mm，顶底移近量870 mm；4#两帮移近量120 mm，顶底移近量892 mm；5#两帮移近量115 mm，顶底移近量921 mm. 计算得出水力压裂区域5个测点两帮平均移近量为131 mm，顶底平均移近量为823.2 mm.

统计分析图9中不同测点非水力压裂区域巷道变形数据，主要观测数据如下：6#测站两帮移近量为213 mm，顶底移近量为1 246 mm；7#两帮移近量190 mm，顶底移近量1 325 mm；8#两帮移近量189 mm，顶底移近量1 483 mm.

图9 非水力压裂区域巷道表面位移观测曲线图

对比分析3107辅助进风巷水力压裂段和非水力压裂段巷道变形破坏情况可知，水力压裂卸压对巷道变形影响较为明显，水力压裂区域两帮平均变形量131 mm，非压裂区域两帮平均变形197 mm，水力压裂区域顶底板平均变形量823 mm，非压裂区域两帮平均变形1 351 mm，其中主要以底鼓变形为主，说明巷道卸压效果较理想，水力压裂卸压后巷道底鼓变形量和变形速度均明显降低。

4.3 3107辅助进风巷留巷段变形情况

水力压裂工程施工后，使顶板悬臂结构产生的高应力得到削弱，留巷段巷道变形得到改善，减少了留巷巷道后期整巷工程量，保证了巷道的安全。对水力压裂留巷段巷道变形情况进行了现场观测，观测数据见表2.

由表2可知，水力压裂区域420～460 m巷道变形较大，行人已无法通过，460～640 m，巷道高度逐步变高，行人可弯腰行走通过，非压裂区域670～777 m巷道变形相较于压裂区域变化大，大部分区域需半蹲行走。由此得知，水力压裂切顶卸压起到了一定的效果，改善了巷道变形情况，但水力压裂初期，由于巷道顶板压力释放不完全，变形较大，之后逐步达到预期效果。

表2 不同地段沿空留巷段巷道高度表

5 结 语

1) 新景矿钻孔深部压裂压力大于浅部压裂压力，钻孔深部压力基本集中在18～20 MPa，钻孔浅部压力基本集中在14～16 MPa.

2) 由3107辅助进风巷水力压裂段和非水力压裂段巷道变形破坏情况可知，水力压裂卸压对巷道变形影响较明显，水力压裂区域两帮平均变形量131 mm，非压裂区域两帮平均变形197 mm，水力压裂区域顶底板平均变形量823 mm，非压裂区域两帮平均变形1 351 mm，其中主要以底鼓变形为主，说明巷道卸压效果较理想，水力压裂卸压后巷道底鼓变形量和变形速度均明显降低。

3) 根据现场实测可知，水力压裂区域420～460 m巷道变形较大，460～640 m巷道高度逐步变高，非压裂区域670～777 m巷道变形相较于压裂区域变化大，水力压裂切顶卸压改善了巷道变形情况。