水力压裂切顶卸压技术在干河煤矿的应用

郭振波

（山西霍宝干河煤矿有限公司，山西 临汾 041602）

1 工程概况

干河煤矿2#煤层埋深520 m，直接顶板为强度达57.32 MPa的细粒砂岩，属典型的坚硬顶板。目前在采的2-209 工作面与南部2-100 采空区之间留有25 m保护煤柱，2-209 工作面布置见图1。在2-209 工作面准备阶段，2-2092 巷从掘到回采前均未发生较大的变形，当工作面回采进入到2-100 采空区影响范围内时，2-2092 巷超前工作面180 m左右在回采超前支承压力与侧向采空区支承压力双重作用下，开始出现明显变形，2-2092 巷超前工作面60 m左右巷道底鼓量达1.2 m，严重影响行人，需要采取底鼓控制措施。

图1 2-209 工作面布置

2 水力压裂切顶卸压技术［1］

煤岩体是典型的非均质材料，其特性主要有：含节理、层理等结构面，各向异性，含有原生裂隙，多孔，多尺度等。运用弹性理论、以最大拉应力准则分析应力场影响下钻孔内裂缝开启压力［2］随倾角、方位角变化而变化的规律时将煤岩体简化为脆性的、各向同性、连续均质的材料。

图2 为钻孔周围应力分解图，（x，y，z）直角坐标系用来表示远场地应力；（r，θ，z）柱坐标系用来表示钻孔周边的应力状态；θAz为钻孔的方位角，最小、最大与垂直主应力σh，σH和σv的方向与坐标系中（1，2，3）方向相同；θ为x轴向z轴方向转过的角度，θInc为钻孔的倾斜角，rw为孔半径，z轴为钻孔的轴线方向。

坐标系（1，2，3）与直角坐标系（x，y，z）之间的转化关系为：

因此，远场地应力分量（σh，σH，σv）可以用来表示（x，y，z）直角坐标系中的地应力分量：

式中：i，j=x，y，z；m，n=1，2，3；Aij，Amn分别为式（1）中变换系数矩阵中的对应元素。

式（2）代入式（1）得：

（r，θ，z）柱坐标系下倾斜钻孔周围的应力表示为：

式中：p为水压。

图2 坐标系

钻孔孔壁应力表示为：

结合图3 对钻孔孔壁的开裂条件进行分析，孔壁上最大的拉应力出现在孔壁θ-z切面内，而孔壁的最大环向主应力为且液体压力p与σθ为函数关系，因此σmax是p的函数。在图3所示孔壁上σmax会随角度θ的变化而发生改变，根据最大拉应力准则：当孔壁处最大拉应力达到岩石抗拉强度σt时，裂缝在孔壁处开裂，即：σmax=σt。

图3 直角坐标系下孔边应力场

3 水力压裂参数研究

3.1 钻孔布置参数的确定

图4 为固定钻孔方位角θAz=0°、45°、90°时，钻孔倾斜角θInc从0°旋转至90°的过程中，不同最大主应力与中间主应力比值下，无量纲化的裂缝起裂压力pb/σv的变化规律。

图4 θAz=0°、θAz=45°、θAz=90°时裂缝开启压力(pb/σv)随倾角θInc 的变化规律

观察图发现：σH/σv=1.5 时，不同方位角下，最大主应力与中间主应力比值越大，裂缝的起裂压力越小。由图4（a）发现：当方位角θAz=0°，σH/σh=1.7时，裂缝的起裂压力基本不随倾斜角θInc的增大而发生改变；当σH/σh＞1.7 时，裂缝的起裂压力随倾斜角θInc的增大不断增大并趋于稳定； 观察图4（b）发现：当方位角θAz=45°，σH/σh=1.7 时，裂缝的起裂压力不随倾斜角θInc的增大而发生较大的改变，当σH/σh=1.8、1.9、2.0、2.1 时，裂缝的起裂压力随倾斜角θInc增大的变化趋势基本相同； 观察图4（c）发现：当方位角θAz=90°时，5 种σH/σh比值下裂缝的起裂压力均随倾斜角θInc增大而逐渐增大。

图5 为固定钻孔为水平钻孔，钻孔方位角θAz从0°旋转至90°的过程中，不同最大主应力与中间主应力比值下，无量纲化的裂缝起裂压力pb/σv的变化规律。

图5 开裂压力（pb/σv）随方位角θAz 的变化规律

观察图5 可发现：固定钻孔为水平钻孔，σH/σh=1.7和1.8 时，裂缝的起裂压力随方位角θAz的增大的变化趋势基本相同，裂缝最大起裂压力分别为2.1 和2，最小起裂压力分别为1.8 和1.65，随着方位角的增大，裂缝起裂压力达到峰值后缓慢下降；当σH/σh=1.9 时，裂缝最大起裂压力为1.85，最小起裂压力为1.25，裂缝起裂压力随方位角增大在达到峰值后迅速下降；σH/σh=2.0 和2.1 时，裂缝的起裂压力随方位角θAz的增大的变化趋势基本相同，裂缝最大起裂压力分别为1.65 和1.55，最小起裂压力分别为0.8 和0.7。

综上：对于σHvh型构造应力场，开裂压力随钻孔由垂直方向转向水平方向呈逐渐增大趋势；随着σH/σh比值的增大，裂缝开启压力有减小趋势；开裂压力随水平钻孔方位角θAz从0°～90°增加呈先增大后减小的趋势。通过图4 及图5 选取可使裂缝开启所需压力为最小值的最优钻孔参数，因此结合应力场的具体情况及矿方设备参数，选取最优钻孔参数为：钻孔倾角θInc为50°，钻孔方位角θAz为90°。

干河煤矿地质资料显示，2#煤层覆岩第一层亚关键层厚度为6.4 m，第二层亚关键层厚度为12.6 m，第三层亚关键层厚度为21.5 m，第四层关键层为主关键层。前三层亚关键层厚度和为40.5 m，根据关键层理论并借鉴类似工程经验［3］，结合上文选定的50°的最优钻孔倾角，最终确定2-2092 巷水力压裂钻孔的孔深为40.5 m，垂直深度31 m。

初步估算水力压裂所产生的压裂裂缝半长为400 mm，而两个压裂钻孔孔间最佳理论距离B应该为裂缝半长R的2 倍［4］，满足公式B=2R，即合理的孔间距为800 mm，采用直径为56 mm的钻头，进行钻孔的施工。

3.2 试验方案

本次钻孔采取单巷双侧［5］的布置方式，从当前工作面前方300 m开始布置水力压裂钻孔。本次设计水力压裂试验巷道长240 m，在回采工作面前方150 m处设计孔深40.5 m的压裂钻孔共45 个，孔距8 m、仰角50°、方位角5°的S′钻孔30 个，孔距16 m、仰角50°、方位角90°的S钻孔15 个，钻孔及布置见图6。

图6 水力压裂钻孔布置

3.3 试验效果分析

在工作面前方150～300 m范围布置1 个未压裂段巷道位移监测站；在第一个钻孔施工位置开始布置1 个压裂段巷道位移监测站，在回采过程中记录压裂段与未压裂段内各测站巷道表面位移量进行对比分析，验证水力压裂切顶卸压的效果。图7（a）为回采过程中未压裂段围岩变形量，图7（b）为回采过程中压裂段围岩变形量。

图7 回采过程中未压裂段与压裂段围岩变形变化曲线

对比分析图7（a）与（b）发现：未压裂段在工作面推进至距监测点80 m时，巷道围岩变形量开始迅速升高，并且推进至距测站10 m时，顶板下沉量、两帮移近量、底鼓量分别为410 mm、1 080 mm、690 mm，变形量较大；而压裂段工作面进至距监测点50 m时，围岩变形量开始增大，并且推进至距测站10 m时，顶板下沉量、两帮移近量、底鼓量分别为200 mm、660 mm、280 mm，较非压裂段的变形量分别缩小51.2%、38.9%、59.4%，水力压裂卸压效果明显。

4 结语

水力压裂技术是坚硬顶板巷道切顶卸压的手段。通过该项技术可以使坚硬顶板的强度和整体性都有所下降，顶板能随采及时垮落，并且降低周期来压强度。通过理论分析和现场试验发现，在水力压裂参数为钻孔间距800 mm、倾角θInc为50°、方位角θAz为90°和5°时进行巷道超前卸压的效果好，注水钻孔内注高压水可使煤层坚硬的顶板产生裂隙，达到围岩卸压的目的。围岩变形测站监测结果显示，压裂段的变形量控制在允许范围内，可使2-209 工作面安全顺利回采。