经坊煤业3-边角07工作面运输巷道水力压裂切顶卸压技术实践

2022-02-17李斌胜

煤 2022年2期

李斌胜

(山西省长治经坊煤业有限公司，山西长治 047100)

1 工程概况

山西长治经坊煤业3-边角07工作面巷道位于七采区+830 m水平，为孤岛工作面，西北侧邻近3-702、3-边角06工作面采空区，西侧邻近3-707工作面采空区，南侧邻近3-701工作面采空区，东侧与七采区轨道、回风巷相连通。工作面走向长度1 508.9 m，倾向长度139.47 m，开采煤层为3号煤层，煤层平均厚度为6.28 m，平均倾角5°，埋深约400 m，煤层结构简单，夹矸厚度0～0.4 m。工作面老顶一般为中粒砂岩，直接岩性为粉砂岩、细粒砂岩或中粒砂岩，底板为砂质泥岩和细粒砂岩。3-边角07工作面运输巷道属于典型的动压影响巷道，受本工作面回采的影响，巷道超前段变形速度快、变形量大，时有矿压显现现象。因此，为缓解工作面周边压力，采用水力压裂切顶卸压技术压裂煤层顶板，使采空区尽量充满垮落后的顶板。

2 水力压裂切顶卸压技术

2.1 水力压裂切顶卸压技术原理

利用高压水向煤层顶板钻孔注入，使钻孔周围出现裂缝，最终使顶板形成裂缝网络，以此来达到破坏顶板完整性的目的，削弱顶板强度，使坚硬顶板变为易冒顶板。坚硬顶板及时垮落，避免造成顶板突然垮落造成的烈性事故[1-3]。

利用水力压裂法进行顶板强度弱化时，工作面顶板应力分布会发生一定变化。如工作面端头三角板悬臂长度减少，会中断卸压过程中采动影响的传递，采空区坚硬顶板得以及时垮落，并降低了顶板上覆岩层的大结构回转下沉概率，从而可以缓解来压对巷道的影响，顶板应力集中现象得以缓解。水力压裂切顶卸压前后应力分布如图1所示[4]。

图1 水力压裂切顶卸压前后应力分布图

水力压裂钻孔通常沿巷道走向布置，布置形式有两种，即单侧和双侧。工作面长度和钻机能力共同决定了钻孔布置形式。①单侧布置。为减少施工量，降低施工工程难度，通常采用单侧布置钻孔；此种布置形式虽易于施行，但却对钻机要求较高，钻孔角度、深度、弯曲度都是制约工程质量的因素。②双侧布置。在水力压裂过程中，对施工钻孔位置较低的工作面，采用双侧布置水力压裂钻孔。对顶板的弱化程度更为均匀，并且由于钻孔较短，需要的封孔器较短，大大降低了施工难度。图2为水力压裂钻孔单侧布置和双侧布置图。水力压裂切顶卸压的效果和诸多因素有关。压裂高度距离顶板太近或太远均不利于垮落，可见要选择合适压裂高度才会获得良好的压裂效果。通常保证压裂区域距离顶板距离>5 m，才能保证压裂后巷道围岩的控制效果[5-7]。

图2 水力压裂钻孔单侧和双侧布置形式图(m)

2.2 水力压裂施工工艺

图3为水力压裂装置示意。可见由高压水泵、封孔器、注水管等共同组成水力压裂系统。其中，高压水泵用于压裂段加压，流量80 L/min，额定压力62 MPa，功率90 kW，电压660/1 140 V；注水管长度为1.5 m，主要作为连接构件和加压通道；封孔器在使用前要先进行预试验，通过树脂管路给封隔器与中心管间隙加压，使高压水不外泄；水压检测仪型号为KJ327-F水压致裂数据采集仪，可以记录压裂过程中流量和压力的实时变化。

图3 水力压裂系统示意

施工时，按照图3所示将压裂系统各部件安装完毕，并检验其工作状态是否正常；之后进行预制裂缝施工，利用特殊钻头进行横向切槽，开槽位置位于顶板完整端；之后更换特殊钻头为普通钻头，进行下位开槽位置的钻孔施工，完成后再次更换为特殊钻头进行预制裂缝施工，二者循环施工，直到达到巷道设计施工长度；对封孔器加压，用到的仪器为手动泵，加压至胶筒膨胀紧贴钻孔内壁；最后，连接高压泵，进行水力压裂施工。预裂缝起裂后水压会有所下降，继而进入保压阶段，在这个阶段，裂纹扩展的同时伴随着新裂纹的产生，利用流量计监测流量及注入的水量，保证顶板岩层充分弱化和软化。压裂过程中观测压裂孔周围顶板出水情况，压裂时间一般不少于30 min，现场施工如图4所示[8]。

图4 水力压裂现场施工

3 切顶卸压方案及效果

3.1 切顶卸压方案

根据顶板的岩性和强度以及水力压裂技术原理，综合3-边角07工作面运输巷道基本情况，确定水力压裂钻孔布置分为单侧布置和双侧布置。为不影响工作面正常生产，保证钻孔施工位置与工作面距离>200 m，并根据矿压显现特点和范围，确定了初次施工范围为100 m。

1) 单侧钻孔布置。图5为单侧钻孔布置示意。如图5所示，在煤柱侧布置压裂钻孔S，并沿着工作面方向打设，钻孔进尺为750 m，S孔个数为10个，钻孔间隔为10 m，S钻孔参数如表1所示，每次压裂时间应>30 min。

图5 单侧钻孔布置图

表1 单侧水力压裂钻孔布置参数

2) 双侧钻孔布置。图6为双侧钻孔布置示意。可知煤柱侧开孔位置位于顶板，钻孔与顶板距离为0.8 m；工作面侧开孔位置距离顶板0.15～0.2 m，位于巷帮处。在煤柱侧及工作面侧分别布置钻孔S和钻孔L，并沿工作面方向打设。双侧钻孔总进尺1 500 m，其中S钻孔和L钻孔孔深均为75 m，S钻孔孔间距为10 m，L钻孔孔间距为10 m，S、L钻孔孔间距为5 m，钻孔参数如表2所示。要求每次水力压裂时间>30 min。

表2 双侧水力压裂钻孔布置参数

在水力压裂切顶卸压控制顶板施工作业时，水力压裂的起裂压力可由公式(1)计算[8-10]：

Pb= 3σmin-σmax+σt

(1)

式中:Pb为水力压裂的起裂压力，MPa；σmax为岩层最大水平主应力，MPa；σmin为岩层最小水平主应力，MPa；σt为岩体所受拉应力，MPa。通过计算可得，经坊煤业3-边角07工作面运输巷道水力压裂的起裂压力Pb=56 MPa。由矿压显现特征和压力损失特征最终确定高压水泵的压力控制为65 MPa，流量为80 L/min，电机功率为660 V/90 kW。

图6 双侧钻孔布置图

3.2 切顶卸压效果分析

3-边角07工作面运输巷道水力压裂方案实施后，在巷道施工500～300 m处安装检测仪，进行巷道围岩变形量测定，分析对比两种方案对于该巷道的卸压效果，并用Origin软件绘制曲线，如图7所示。

由图7可知，3-边角07工作面运输巷道顶板进行水力压裂切顶卸压时，采用单侧钻孔布置方案可以有效减少巷道围岩变形量。随着水力压裂施工的进行，底鼓量、顶板下沉量以及两帮移近量均有不同程度的减小，其中底鼓变形量减弱最为明显；而巷道右帮变形量变化最小。当采用双侧钻孔布置方式时，曲线均呈现上升趋势，说明水力压裂控制顶板效果良好，但是在距离回采工作面360 m左右曲线出现一个明显的拐点。拐点后，底鼓量曲线变陡，顶板下沉量曲线变缓，可能是由于此处遇地质构造。对比图7(a)、图7(b)可知，采用单侧钻孔布置方式时底鼓量、左帮变形量、顶板下沉量、右帮变形量最大值分别是180 mm、66 mm、48 mm、19 mm；采用双侧钻孔布置方式时底鼓量、左帮变形量、顶板下沉量、右帮变形量最大值分别是123 mm、58 mm、42 mm、11 mm。显而易见，双侧钻孔布置方式的水力压裂效果要优于单侧钻孔布置方式，能更大程度上保证巷道围岩稳定性[9-13]。