煤矿水力压裂切顶卸压技术研究

张军磊，任 伟，何志远，杨旭东

(中煤科工山西华泰矿业管理有限公司 河曲分公司，山西 忻州 036504)

在工作面附近，受采动的影响，形成了应力增高区，应力增高区由应力升高、应力强烈和应力减弱3部分组成。该区域护巷煤柱载荷急剧增长，相邻采区巷道的变形开始变大，巷道片帮、底鼓现象突出。为了解决该问题，国内学者对此进行了一定研究，文献[1]通过工业性试验、理论分析、现场调研、围岩地质力学参数测试等方法，提出了巷道水力压裂切顶卸压控顶成套技术，对压裂工艺、压裂装备、压裂参数、钻孔布置等参数进行了设计；文献[2]分析了水压破裂规律及地层应力的分布特点，计算了裂纹在平面应力状态下的位移场，提出了煤矿地面压裂井下抽采的压裂工艺系统，取到了较好的压裂增透效果；文献[3]对类混凝土材料的水力裂缝宽度进行多点同步动态监测，获取了不同时刻多点水力裂缝宽度的变化，研究对提升压裂工艺技术具有重要参考价值；文献[4]在对煤层物理特性、煤层赋存特征的基础上，开展了水力压裂技术措施，解决了钻孔利用周期短、流量衰减速度快的难题有效地降低了施工区域的突出危险性。鉴于此，本文研究了水力压裂切顶卸压技术，改善留巷的应力状态，降低巷道维护难度。

1 工程概况

山西华鹿阳坡泉煤矿有限公司位于河曲县东南鹿固乡阳坡泉村附近，矿井井田面积为11.530 4 km2，生产能力为120万t/a，现开采10号煤层，瓦斯等级为低瓦斯矿井，矿井地质类型和水文地质类型划分均为中等，煤层自燃倾向性为Ⅱ级自燃煤层，煤尘具有爆炸性，矿井现为“两证一照”齐全有效的生产矿井。研究工作面北部为10106回采工作面(正在回采)、南部为矿井边界(上榆泉煤矿)、西部为实体煤，东部为3条系统巷(南翼主运巷、南翼辅运巷及南翼回风巷)。根据10108工作面运输巷道和回风巷道在掘进过程中实际揭露煤层地质资料分析：①10108工作面开采的10号煤层，以半亮煤为主，半暗煤次之；整个工作面煤层厚度为3.5～6.8 m，平均5.35 m；②煤层中一般含1～4层夹矸，平均3层，夹矸厚度0.1～0.5 m，其岩性多发育有灰黑色碳质泥岩。煤层顶、底板情况见表1。

表1 煤层顶、底板情况

工作面整体构造形态为一倾向北西的单斜构造，根据10108工作面两巷道及切眼实际揭露地质构造分析：本工作面共计揭露断层2条，其性质均为正断层。其中10108运输巷道F6断层位于回撤通道外24 m处，不在回采范围内。10108回风巷道417 m处揭露的F21正断层，落差2.5 m；其中2条断层对回采影响较小，具体断层产状及其实际揭露位置见表2。

表2 断层产状及其实际揭露位置

据现有地质资料，从以下几个方面分析该工作面水文地质情况[5-8]：①地表水。地表无河流和水体出露；地表覆盖黄土层，小型冲沟发育，多为雨季泄洪沟；其次，地表裂缝也会成为导水通道，在雨季期间会对工作面进行间接补给，但本地区降雨量较小，因此，对回采影响不大。在出现暴雨等极端天气时，应按要求严格执行井下撤人制度。②裂隙水。顶底板砂岩含水层富水性较弱，顶底板砂岩裂隙水主要以顶板淋水和底板、煤帮渗水的形式出现，在构造带和裂隙发育地段涌水量会相对增加，但对生产影响不大，但必须要做好防排水工作。其次，地表降雨会通过采动裂隙对工作面进行间接补给，回采过程中要加强涌水量观测，掌握涌水量变化情况，如发现异常要及时采取安全措施。③奥灰水。奥灰水：根据《10、11、13号煤层奥灰水带压开采评价报告》，奥灰水静水位标高825～865 m；新施工的2020补5水文孔资料显示奥灰水静止水位标高为841 m；工作面内实测10号煤层底板标高为871.8～913.8 m。由上述数据对比并结合奥灰水突水系数计算公式分析，工作面煤层底板标高高于奥灰水静水位标高841 m；一般不会受到奥灰水的威胁，但必须加强观测，严防断裂构造导通奥灰水。④断层水：根据10108工作面两巷道实际揭露地质构造资料，均未出现断裂构造导水现象，但不排除在回采过程中工作面内可能揭露其他断裂构造而导水，因此在回采过程中，必须要加强对工作面内涌水量观测及预测预报，确保安全回采。⑤老空水：10108工作面开采范围周边不存在老空水。⑥钻孔水：10108工作面开采范围内不存在地质钻孔。⑦物探异常区：2021年1月6日和1月12日在井下10108运输巷道和回风巷道对10108回采工作面进行了瞬变电磁探测，探测结果显示10108工作面内有YC-1、YC-2和YC-3三处低阻异常区，其中YC-1异常区位于10108回采工作面煤层顶板上15 m，距运输巷道停采线19.8 m，运输巷道采帮侧31～40 m；YC-2异常区位于10108回采工作面煤层内，距运输巷道停采线80 m，回风巷道采帮侧0～40 m；YC-3异常区位于10108回采工作面煤层内，距运输巷道停采线335 m，回风巷道采帮侧0～40 m。工作面回采前需对3处物探异常区进行钻探验证，根据验证结果采取相应措施。综合分析，本工作面在回采过程中主要涌水来源为10号煤层顶板砂岩裂隙水，常以淋水和渗水的形式出现。

因此，本工作面回采过程中应注意事项如下：①要及时观测涌水量变化，如发现异常情况，必须立即采取安全技术措施；②工作面在回采过程中要加强带压区域地质构造的探查，查清其构造导水性；③在构造发育区域涌水量可能会增大，要加强观测，如发现涌水异常增大，必须立即报告矿调度室和矿领导，待彻底消除安全隐患后，方可继续开采。

2 卸压原理

水力压裂切顶卸压前后的应力分布如图1所示。

图1 水力压裂切顶卸压前后的应力分布

卸压前后工作面回采围岩垂直应力分布如图2所示，在10108工作面回采后，未进行水力切顶卸压时，巷道围岩产生应力集中，其中煤柱和围岩的水平应力集中非常明显，靠近10108工作面一侧应力集中程度高，应力分布以某一位置为中心向周围连续传递，采用水力切顶卸压技术后，由工作面回采后，未卸压端围岩应力主要集中在回采巷道周围附近，分布范围相对较广，应力集中程度高；卸压端，由于顶板垮落相对较充分，减少了悬臂梁的影响，进而减少回采应力集中影响范围，并且对应力的进行了有效转移，主要集中在水力切顶卸压面的深部端头处，可见，水力切顶卸压可有效地降低工作面回采造成的残余和超前支承应力的影响范围，能将应力转移到深处，调动围岩深部的承载能力，改善留巷的受力环境[9-16]。

3 压裂参数设计

3.1 参数选取依据

根据下列公式计算进入裂隙带的基本顶岩层。

(1)

式中，Hi为由下而上第i层基本顶岩层(基础岩层)的厚度；Hi′为由下而上第i层基本顶分层的厚度；M为煤层采高；Ki为基本顶及其附加岩层的岩石碎胀系数；Kz为基本顶及其附加岩层的岩石碎胀系数；h为直接顶厚度。

将10108工作面相关数据代入上述公式，可得出第4层基本顶岩梁，即1.3 m炭质泥岩以上岩层为裂隙带岩层，其下岩层为冒落带岩层。因此，压裂钻孔垂深应达到第4层基本顶岩梁以上，为保证压裂效果，压裂位置应尽可能更深。

3.2 方案设计

水力压裂钻孔布置如图3所示。压裂钻孔布置图4所示。

图4 水力压裂深孔布置

4 施工工艺

4.1 钻孔注水压裂

压裂过程需要2套水路管线：封孔和高压水力压裂。

4.2 封孔

(1)封孔系统的安装与连接如5所示。封孔系统的安装与连接工艺流程及注意事项：①连接之前，确认管路是否畅通；②连接安装封孔器后，接静压水对封孔器进行排气、试压，查看封孔器是否漏水，回水是否通畅，保证运作正常；③“三通”必须连接截止阀；④开始打压手动泵之前，同时打开“三通”上的2个截止阀，让静压水进入储能器，静压水进满依据或标志为：时间4～5 min，关闭静压水截止阀时，手动泵压力表指针不上下摆动，静止在某刻度处，约为静压水压力值。静压水上满后关闭静压水的截止阀；⑤打压手动泵至10 MPa；⑥手动泵打压完毕后，切记关闭2个截止阀，防止封孔器中的水倒流。

图5 封孔系统连接示意

(2)高压注水系统的安装与连接如图6所示。

图6 高压注水系统连接示意

5 结语

(1)采用水力切顶卸压技术后，由工作面回采后，未卸压端围岩应力主要集中在回采巷道周围附近，分布范围相对较广，应力集中程度高；卸压端，由于顶板垮落相对较充分，减少了悬臂梁的影响，进而减少回采应力集中影响范围，并且对应力的进行了有效转移，主要集中在水力切顶卸压面的深部端头处，可见，水力切顶卸压可有效地降低工作面回采造成的残余和超前支承应力的影响范围，能将应力转移到深处，调动围岩深部的承载能力，改善留巷的受力环。

(2)通过研究了试验机具与设备，设计了压裂参数及水力压裂切顶技术施工工艺，并分析了水力压裂切顶技的安全技术措施。研究为巷道切顶卸压提供了技术支持。