水力压裂弱化顶板护孔技术

薛江达，孙永康，王军，张庚

（太原理工大学 安全与应急管理工程学院，山西 晋中 030600）

0 引言

瓦斯是威胁煤矿井下安全生产主要的因素之一[1-3]。顺层钻孔是矿井回采工作面的主要瓦斯治理方式，工作面回采前要施工顺层钻孔预抽煤层瓦斯，抽采达标后才可安排回采作业[4-5]。采区内单翼布置顺序开采的工作面回采过程中，极易在邻近工作面煤体中形成较高的采动支承应力，导致工作面煤体大范围塑性区破坏，从而造成邻近工作面煤体中提前施工的顺层钻孔的封孔段发生破坏，使得顺层钻孔失效，严重制约了工作面安全高效生产[6-8]。

为提高顺层钻孔的稳定性，保证其抽采效果，有学者对护孔技术进行了研究。姚向荣等[9]基于注浆固化成孔新理论，对工作面巷道抽采钻孔围岩弱结构破坏失稳进行了有效控制。叶高榜[10]分析了钻孔坍塌、变形的力学条件，提出了用于解决松软煤层钻孔塌孔的新型内支撑护孔管。孟晓红[11]建立了不同角度钻孔塌孔的力学模型，提出了采取小直径钻孔、增加钻孔支护强度等方式提高钻孔稳定性。张金宝[12]开发了钻孔内水力输送分组筛管自主对接完孔工艺技术，实现了钻孔全孔段筛管护孔。李润泽等[13]利用大通孔螺旋钻孔配合可开闭钻头对煤层钻孔进行全程下筛管护孔工艺研究，解决了钻孔易发生塌孔的问题。陈超等[14]提出了采用跟管护孔钻进工艺过高应力区，以达到护壁效果。张鹏等[15]提出了全长筛管护孔技术，以防止钻孔漏气而影响抽采效果。

现阶段的研究主要集中在增强钻孔本身强度，并未针对影响钻孔稳定性的根本性因素提出解决措施。本文以山西和顺正邦良顺煤业有限公司（以下简称良顺煤矿）150205 工作面顺层钻孔受邻近工作面采动影响为工程背景，通过分析顺层钻孔失稳原因，提出了一种水力压裂弱化顶板护孔技术。利用数值模拟与现场实践相结合的方式，研究水力压裂弱化顶板对顺层钻孔的保护效果。

1 工程背景

良顺煤矿井田位于沁水煤田东北部。井田地质总体上为单斜构造，地层倾角平缓，中部为褶曲构造并发育有8 条正断层。煤矿主采15 号煤层，且为单翼开采，煤层平均厚度为4.8 m，平均埋深为450 m，工作面基本顶以K2 石灰岩和细粒砂岩为主，总厚度为12.0 m。工作面地质柱状图如图1 所示。

图1 工作面地质柱状图Fig.1 Geological column histogram of the working face

工作面布置如图2 所示。150203 工作面为回采工作面，临近150205 工作面为顺层钻孔预抽煤层瓦斯工作面，工作面煤柱宽度为20 m。150205 工作面顺层钻孔孔径为108 mm，钻孔间距为2 m，钻孔长度为80 m。随着150203 工作面回采，采动支承应力沿顶板坚硬岩层传递到150205 工作面煤柱和煤体，造成顺层钻孔周围煤体的塑性区扩展，影响钻孔封孔效果，导致其失效或抽采效果降低。

图2 工作面布置Fig.2 Layout of the working face

2 顺层钻孔失稳分析

2.1 顺层钻孔应力分布特征

基于巷道围岩松动圈理论[16-18]，类比分析顺层钻孔在支承应力作用下周围亦存在破碎区和塑性区。在理想状态下，钻孔围岩弹塑性区分布如图3所示。其中，σ1为垂直应力，MPa；σ2为水平应力，MPa；R1为钻孔半径，m；R2为破碎区半径，m；R3为塑性区半径，m。

图3 钻孔围岩弹塑性区分布Fig.3 Distribution of borehole surrounding rock elastoplastic zones

根据弹性力学模型可知[19-21]，钻孔位于围岩弹性范围的非均匀引力场中，巷道围岩处于弹性状态，可得

2.2 钻孔失稳破坏影响因素

1）顺层钻孔施工完成后，钻孔形状固定，孔壁稳定。由于煤体中支承应力的影响，钻孔孔壁煤体发生蠕变，随着抽采时间延长，孔壁煤体较软处会形成坍塌而完全阻塞瓦斯的流动通道。

2）顺层钻孔施工完成后，钻孔周围的应力场趋于稳定，且钻孔未发生破坏。当钻孔周围煤体受扰动或采动影响时，会发生支承应力的重新分布，并产生较高的支承应力峰值，造成煤体塑性区扩展，使顺层钻孔封孔区发生破坏，影响钻孔抽采效果。

3 水力压裂弱化顶板护孔技术数值模拟

3.1 水力压裂弱化顶板护孔原理分析

水力压裂可降低坚硬基本顶的强度，优化基本顶的断裂位置，减小作用在邻近工作面煤体上的采动支承应力峰值，切断应力传播路径。作用在顺层钻孔周围煤体中的应力峰值降低后，可有效防止钻孔周围煤体发生较大范围的塑性破坏而导致钻孔封孔段失效而漏气。

顺层钻孔全孔段下置筛管，保证煤体与钻孔之间存在气体流通的通道，水力压裂弱化顶板护孔技术可很好地保护钻孔封孔段的密封性，从而保证顺层钻孔的抽采效果。

3.2 模型建立及参数设定

根据矿井地质柱状图及岩石力学试验结果，各岩层物理力学参数见表1。

表1 各岩层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of each rock formation

从工程实际角度出发，确定数值模型尺寸为150 m×150 m×37.1 m（长×宽×高），共有400 000 个单元和417 231 个节点，选用摩尔-库仑本构模型，数值模型如图4 所示。图中沿煤层走向为x轴，沿煤层倾向为y轴，垂直于煤层方向为z轴。

图4 数值模型Fig.4 Numerical model

150205 工作面埋深为450 m，计算上覆岩层荷载，施加的垂直应力约为10 MPa。根据良顺煤矿的地质资料，侧压系数取1.2。模型边界设置为不透水边界。限制模型向四周变形移动，即将模型的前后左右及底面的位移、速度限制为零，将模型的上边界作为自由边界。

设置x=15～18 m，y=0～150 m，z=7～10 m 处为150205 回风巷，x=38～138 m，y=10～50 m，z=7～10 m处为回采范围，并预留20 m 宽煤柱。考虑到工程实际情况，水力压裂钻孔布置在150205 回风巷两侧y=20～60 m，z=10 m 处，沿y轴方向每10 m 设置1 个水力压裂钻孔，并在临近150203 运输巷相同位置布置水力压裂钻孔。水力压裂钻孔穿过K2 石灰岩，钻孔角度为75°，钻孔孔径为75 mm。注水压力为20～27 MPa，每个钻孔压裂4 次，每个压裂段都在关键层中，每个压裂段压裂时间为30 min。

采用spss22.0进行数据处理。卡方用以检验计数资料，t值用以检验计量资料，以P＜0.05具有统计学意义。

3.3 水力压裂弱化顶板前后煤体破坏规律分析

当煤层上部赋存坚硬顶板时，邻近工作面回采会在钻孔附近的煤体形成应力集中区域，如图5 所示。

图5 钻孔周围煤体应力分布云图Fig.5 Cloud map of coal stress distribution around borehole

水力压裂弱化顶板前，邻近工作面回采40 m 过程中，钻孔周围煤体垂直应力演化规律如图6 所示。可看出邻近工作面回采至10 m 时，钻孔周围煤体的垂直应力峰值为15.6 MPa，此时钻孔周围煤体受采动支承应力影响较小；回采至20 m 时，钻孔周围煤体的垂直应力峰值为18.1 MPa，采动支承应力对钻孔周围煤体的影响逐渐变大；回采至30 m 时，钻孔周围煤体的垂直应力峰值为21.2 MPa，此时采动支承应力对钻孔周围煤体的影响达到最大；回采至40 m 时，钻孔周围煤体的垂直应力峰值减小，为17.3 MPa。

图6 水力压裂弱化顶板前煤体垂直应力演化规律Fig.6 Evolution law of vertical stress of coal before hydraulic fracturing weakening roof

水力压裂弱化顶板后，邻近工作面回采40 m 过程中，钻孔周围煤体垂直应力演化规律如图7 所示。可看出邻近工作面回采至10，20，30，40 m 时，钻孔周围煤体的垂直应力峰值分别为8.6，8.9，9.0，9.1 MPa。水力压裂弱化顶板后，钻孔周围煤体的垂直应力峰值降低了57.1%，能够很好地避免钻孔周围煤体的塑性区扩展，保证钻孔的封孔和抽采效果。

图7 水力压裂弱化顶板后煤体垂直应力演化规律Fig.7 Evolution law of vertical stress of coal after hydraulic fracturing weakening roof

钻孔周围煤体受采动支承应力影响时，会在煤体中造成塑性区扩展，如图8 所示。可看出邻近工作面回采后，由于钻孔周围煤体受较高采动支承应力的影响，煤体发生塑性破坏的范围较大，塑性区范围约为19 m；采用水力压裂弱化顶板后，作用在钻孔周围煤体的采动支承应力峰值大大降低，煤体发生塑性破坏的范围减小，塑性区范围约为11 m，塑性区范围减小了42.1%。

图8 水力压裂弱化顶板前后回采40 m 时煤体塑性区分布Fig.8 Plastic zone distribution of coal when mining 40 m before and after hydraulic fracturing weakening roof

4 水力压裂弱化顶板护孔技术现场实测

为改善150205 回风巷内顺层钻孔周围煤体的应力环境，使钻孔能够更好地发挥预抽作用，降低煤层瓦斯含量，在150205 回风巷距切眼350～550 m区域实施水力压裂弱化顶板护孔技术。根据取芯样本，水力压裂弱化的目标岩层是由7 m 厚石灰岩和5 m 厚细粒砂岩组成的基本顶。

水力压裂弱化顶板施工如图9 所示。具体实施方案：在150203 运输巷向煤柱帮施工水力压裂钻孔，在150205 回风巷两侧施工水力压裂钻孔；钻孔设计深度为32 m，倾角为75°，孔径为75 mm，间距为10 m；每个钻孔采取后退式水力压裂方式，每后退2.5 m 压裂1 次，单孔压裂4 次，每个钻孔压裂时间为30 min，注水压力为20～27 MPa。

图9 水力压裂弱化顶板施工Fig.9 Construction of hydraulic fracturing weakening roof

150205 回风巷内顺层钻孔长度为60 m，钻孔孔径为108 mm，封孔管径为63 mm，封孔深度为18 m。在受采动影响的150205 回风巷进行水力压裂弱化顶板区域选取3 组顺层钻孔，编号分别为1-1，1-2，1-3，与切眼的距离分别为400，450，500 m，每组各有8 个钻孔；在受采动影响的150205 回风巷未进行水力压裂弱化顶板区域选取3 组顺层钻孔，编号分别为2-1，2-2，2-3，与切眼的距离分别为100，150，200 m，每组各有8 个钻孔。每组顺层钻孔中布置汇流管、放水器和计量装置，通过测定顺层钻孔中瓦斯抽采体积分数、瓦斯抽采流量和CO 体积分数来分析水力压裂弱化顶板护孔效果。

各组钻孔的瓦斯抽采体积分数如图10 所示。可看出受采动影响的150205 回风巷进行水力压裂弱化顶板区域的3 组钻孔瓦斯抽采体积分数最大值达18.2%，平均值为14.1%；未进行水力压裂弱化顶板区域的3 组钻孔瓦斯抽采体积分数最大值为9.3%，平均值为3.6%，且有钻孔出现瓦斯抽采体积分数接近0 的情况。

图10 瓦斯抽采体积分数变化曲线Fig.10 Variation curve of gas extraction volume fraction

各组钻孔的瓦斯抽采混合流量如图11 所示。可看出受采动影响的150205 回风巷进行水力压裂弱化顶板区域的3 组钻孔瓦斯抽采混合流量平均值为0.464 m3/min；未进行水力压裂弱化顶板区域的3 组钻孔瓦斯抽采混合流量平均值为1.28 m3/min，这是由于未进行水力压裂弱化顶板区域的钻孔封孔段出现漏气的情况。各组钻孔的CO 体积分数如图12 所示。可看出受采动影响的150205 回风巷进行水力压裂弱化顶板区域的3 组钻孔CO 体积分数最大值为8×10-6；未进行水力压裂弱化顶板区域的3 组钻孔的CO 体积分数最大值为44×10-6，平均值为38×10-6，这是由于未进行水力压裂弱化顶板区域出现顺层钻孔与巷道通过煤壁裂隙贯通的情况，造成钻孔内煤体氧化产生较多的CO。

图11 瓦斯抽采混合流量变化曲线Fig.11 Variation curve of mixed flow rate of gas extraction

图12 CO 体积分数变化曲线Fig.12 Variation curve of CO volume fraction

在实施水力压裂弱化顶板护孔技术后，钻孔瓦斯抽采浓度明显提高，瓦斯抽采混合流量大幅降低，钻孔内煤体基本不会出现氧化反应而产生CO，提高了钻孔抽采效果，保证了钻孔抽采安全。

5 结论

1）水力压裂弱化顶板护孔技术一方面降低了采动支承应力的峰值，另一方面阻断了高支承应力向顺层钻孔周围煤体的传递。数值模拟结果表明，顺层钻孔周围煤体的垂直应力峰值由21.2 MPa 降低为9.1 MPa，降低了57.1%。

2）水力压裂弱化顶板护孔技术可减小临近巷道煤壁塑性区范围，避免顺层钻孔封孔段全区域的塑性破坏。数值模拟结果表明，随着钻孔周围煤体支承应力峰值降低，煤体塑性区范围由19 m 减小为11 m，减小了42.1%。

3）在150203 运输巷与150205 回风巷实施水力压裂弱化顶板护孔技术后，钻孔瓦斯抽采体积分数平均值由3.6%提高到14.1%，提高了74.5%；瓦斯抽采混合流量平均值由1.28 m3/min 降低为0.464 m3/min，降低了63.8%；未进行水力压裂弱化顶板区域的顺层钻孔中出现较高的CO 体积分数，平均值为38×10-6，而进行水力压裂弱化顶板区域只有少数钻孔出现CO。