干河煤礦2-209工作面副巷超前水力壓裂切頂卸壓技術(shù)實(shí)踐

許建平

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部 ，山西 霍州 031400）

0 引言

霍州煤電集團(tuán)下屬干河、辛置、李雅莊等礦井上組煤2#煤埋藏深，且受斷層等構(gòu)造的影響，深部高地應(yīng)力作用下回采面兩巷順槽巷道兩幫回縮、底鼓嚴(yán)重，尤其是回采期間受動(dòng)壓影響，都不同程度存在臨近采空區(qū)巷道在本工作面回采時(shí)超前影響段變形大、超前維護(hù)量大的問(wèn)題，個(gè)別回采面甚至不得不提前結(jié)束回采。

為探索該類巷道的治理辦法，在干河礦2-209工作面副巷超前進(jìn)行水力壓裂切頂卸壓試驗(yàn)，驗(yàn)證水力壓裂切頂卸壓效果和適用性，為受動(dòng)壓影響的辛置、李雅莊等煤礦巷道治理提供借鑒經(jīng)驗(yàn)，并為下步采用定向水力壓裂切頂卸壓在留巷中的技術(shù)應(yīng)用提供技術(shù)支撐與保障。

1 工作面概況

干河礦2-209工作面位于+80水平二采區(qū)右翼，工作面北東端為井田邊界，南西端為二采區(qū)回風(fēng)巷，北西側(cè)均為實(shí)體煤，南東側(cè)為2-100工作面采空區(qū)。工作面煤層為1#、2#煤合并成，煤層平均厚度 3.9m，平均傾角 5°，埋深 485～540m，采用長(zhǎng)壁式采煤方法，綜合機(jī)械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板。工作面長(zhǎng)183m，順槽長(zhǎng)度2160m，可采走向長(zhǎng)度914m，試驗(yàn)巷道長(zhǎng)度220m（停采線往里215m），工作面布置如圖1所示。

圖1 2-209工作面布置示意圖

2 水力壓裂卸壓技術(shù)原理及工藝

2.1 技術(shù)原理

水力壓裂技術(shù)是指在鉆孔壓裂段預(yù)制裂縫，從而控制水力壓裂裂紋擴(kuò)展方向的技術(shù)。通過(guò)水力壓裂，削弱巖層的整體性和穩(wěn)定性，并定向切割頂板巖層，通過(guò)人為的方法削弱煤巖體承載的高應(yīng)力，使巷道或工作面處于低應(yīng)力區(qū)域，使采空區(qū)頂板能夠分層分次充分垮落。

2.2 施工工藝

2.2.1 鉆孔布置

布置2種鉆孔，分別為鉆孔S和鉆孔S′；鉆孔施工采用ZDY1200S鉆機(jī)及配套鉆機(jī)平臺(tái)，鉆頭直徑為56mm，鉆桿直徑42mm。（壓裂鉆孔布置剖面如圖2所示）。

1）壓裂鉆孔S，距離巷道左幫(煤壁幫）1.5-2.5m，鉆孔長(zhǎng)度40.5m，孔間距為10m，水平方向與巷道走向夾角90°，仰角為50°；

2）壓裂鉆孔S′，距離巷道右?guī)停褐鶐停?.0～2.5m，鉆孔長(zhǎng)度 40.5m，孔間距為 10m，水平方向與巷道走向夾角5～10°，仰角為50°。

圖2 2-2092巷壓裂鉆孔布置剖面圖

2.2.2 鉆孔壓裂

頂板水力壓裂包括封孔、高壓水壓裂、保壓注水三項(xiàng)主要工序，該壓裂系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：靜壓水進(jìn)水管路、高壓水泵、水泵壓力表、蓄存壓裂介質(zhì)水和油的儲(chǔ)能器、手動(dòng)泵、手動(dòng)泵壓力表、快速連接的高壓供水膠管、封孔器。水力壓裂示意圖如圖3所示。

圖3 水力壓裂示意圖

采用后退式單孔多次壓裂，每隔2m（3m）壓裂一次，單孔壓裂次數(shù)10-13次（次數(shù)可根據(jù)窺視和強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整），壓裂到距孔口13m處停止壓裂。若頂板出現(xiàn)異響和大面積出水，及時(shí)停止壓裂。

鉆孔水力壓裂流程：水力壓裂流程：接封孔器→接注水管→接通高壓水泵→封孔器加壓→開(kāi)高壓泵，注水壓裂→壓裂30分鐘或相鄰孔出水后停泵→封孔器泄壓→交替壓裂其他孔或退下2m開(kāi)始第二段壓裂→開(kāi)啟循環(huán)壓裂過(guò)程直至退至13m。

3 工業(yè)性試驗(yàn)及礦壓觀測(cè)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)施工情況

試驗(yàn)巷道215m，共計(jì)施工鉆孔45個(gè)、壓裂鉆孔42個(gè)，平均每天施工鉆孔4個(gè)，壓裂鉆孔3.4個(gè)。施工壓裂鉆孔45個(gè)，有38個(gè)壓裂效果較好（壓裂時(shí)鄰近鉆孔出水量較大），有4個(gè)鉆孔壓裂效果較差（壓裂時(shí)鄰近鉆孔出水量較?。┓謩e是S3、S5、S6、S?10孔（后期已在S4-S8之間補(bǔ)孔），有3個(gè)鉆孔中下部堵塞無(wú)法穿管壓裂（S8、S?4、S?13孔）。水力壓裂壓力30至10MPa,平均20MPa，其中靠鉆孔上部水力壓裂壓力較大。

項(xiàng)目試驗(yàn)施工前期，在壓裂過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，S′孔（前期設(shè)計(jì)間距8m）壓裂效果較好，S孔（前期設(shè)計(jì)間距16m）壓裂時(shí)鄰近孔出水較少（S3、S5孔），壓裂效果相對(duì)較差。

采取措施：根據(jù)施工情況，為保證壓裂效果，從S8孔往外（100m范圍），S孔和S′孔間距都調(diào)整為10m，即每隔10m施工一個(gè)S孔和一個(gè)S′孔；同時(shí)對(duì)于靠工作面煤壁一側(cè)施工的S孔（壓裂效果較差）進(jìn)行補(bǔ)孔，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況在S4-S8孔之間補(bǔ)打4個(gè)鉆孔。施工距離從200m變更為215m，鉆孔數(shù)由38個(gè)變更為45個(gè)，其中S鉆孔21個(gè)，S?鉆孔24個(gè)。

3.2 礦壓觀測(cè)

從施工鉆孔位置開(kāi)始往外每20m施工布置一組巷道位移監(jiān)測(cè)站，共布置14組（1188m～1445m）。自2017年10月3日所有鉆孔壓裂完畢，從10月4日開(kāi)始實(shí)施監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)巷道位移變化量及老山垮落等情況。通過(guò)對(duì)比非壓裂卸壓段的ABC3個(gè)測(cè)站和壓裂卸壓段的1-10#測(cè)站的底鼓量、頂板下沉量和兩幫移近量來(lái)分析壓裂卸壓的效果。

3.2.1 底鼓量分析

圖4（a）為非壓裂段內(nèi)ABC三個(gè)測(cè)站的底鼓量變化曲線，從圖中可見(jiàn)，超前回采面150m即發(fā)生底鼓現(xiàn)象，從超前100m明顯增加，超前50m底鼓急劇增加，三個(gè)測(cè)站最終底鼓量分別為0.52m、0.68m和0.72m。

圖4（b）為壓裂卸壓段內(nèi)1-10#測(cè)站的底鼓量變化曲線，同樣個(gè)別測(cè)站超前150m既出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，但底鼓變形在超前150m到超前50m范圍內(nèi)變化不大，2-7#測(cè)站直至超前回采面15～20m才急劇增加。最終底鼓量較非壓裂卸壓段有大幅降低，在0.17～0.32m之間。

除此外，在未壓裂段，副巷超前150m前段時(shí)常出現(xiàn)底鼓嚴(yán)重現(xiàn)象（路面硬化層從巷中隆起，隆起高度在300mm左右），不破除硬化層無(wú)法進(jìn)行超前單體柱支護(hù)和設(shè)備列車(chē)移設(shè)；進(jìn)入壓裂段，工作面進(jìn)入S1孔開(kāi)始（開(kāi)始切頂位置），副巷超前150m前后段再未出現(xiàn)底鼓嚴(yán)重現(xiàn)象，均是緩慢底鼓，基本不再需要起底，不影響單體柱支護(hù)和設(shè)備列車(chē)的移設(shè)。

圖4 非壓裂段和壓裂段底鼓量變化曲線

3.2.2 頂板下沉量分析

圖5（a）為非壓裂段內(nèi)ABC三個(gè)測(cè)站的頂板下沉量變化曲線，從圖中可見(jiàn)，超前回采面150m即有頂板下沉現(xiàn)象，從超前100m開(kāi)始明顯增加，三個(gè)測(cè)站最終下沉量分別為0.43m、0.42m和0.26m。

圖5（b）為壓裂卸壓段內(nèi)1-10#測(cè)站的頂板下沉量變化曲線，同樣個(gè)別測(cè)站超前150m既出現(xiàn)頂板下沉現(xiàn)象，但在超前150m到超前50m范圍內(nèi)變化不大，2-10#測(cè)站直至超前回采面15～20m才急劇增加。最終頂板下沉量較非壓裂卸壓段有大幅降低，在0.085～0.25m之間。

圖5 非壓裂段和壓裂段頂板下沉量變化曲線

3.2.3 兩幫移近量分析

圖6（a）為非壓裂段內(nèi)ABC三個(gè)測(cè)站的兩幫移近量變化曲線，從圖中可見(jiàn)，超前回采面200m即有兩幫移近現(xiàn)象，從超前100m明顯增加，三個(gè)測(cè)站最終兩幫移近量分別為1.16m、1.16m和1.03m。

圖6（b）為壓裂卸壓段內(nèi)1-10#測(cè)站的兩幫移近量變化曲線，同樣個(gè)別測(cè)站超前200m既出現(xiàn)兩幫移近現(xiàn)象，但在超前150m到超前50m范圍內(nèi)變化不大，直至超前回采面50m才急劇增加。最終移近量較非壓裂卸壓段有大幅降低，在0.465～0.87m之間。

圖6 非壓裂段和壓裂段兩幫移近量變化曲線

通過(guò)非壓裂卸壓段和壓裂卸壓段變形量監(jiān)測(cè)對(duì)比分析，可得出以下結(jié)論：

1）水力壓裂超前卸壓效果非常顯著，通過(guò)卸壓孔注高壓水，使得老頂巖層預(yù)裂產(chǎn)生裂隙，減輕回采時(shí)超前支承壓力的影響，巷道底鼓量、頂板下沉量和兩幫移近量大幅降低。

2）1-10#測(cè)站超前150m即有變形主要為發(fā)生變形時(shí)回采面處于非壓裂段，超前支承壓力傳遞較遠(yuǎn)所致。

3）壓裂段巷道變形量變化規(guī)律較非壓裂段有明顯減緩。

4 施工效果總結(jié)

1）水力壓裂超前卸壓效果非常顯著，通過(guò)卸壓孔注高壓水，使得老頂巖層預(yù)裂產(chǎn)生裂隙，減輕回采時(shí)超前支承壓力的影響，巷道底鼓量、頂板下沉量和兩幫移近量大幅降低。

2）2-209回采面自推至進(jìn)入壓裂段后，工作面上隅角能及時(shí)充分垮落，超前段內(nèi)底鼓控制在200mm左右，不再需要專門(mén)起底，兩幫移近量在0.6-0.7m，不需要安排專門(mén)隊(duì)伍從事起底刷幫，工作面可以正常推進(jìn)，極大的降低了職工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了回采效率。

3）在未實(shí)施水力壓裂前，副巷超前150m前后段時(shí)常出現(xiàn)底鼓嚴(yán)重現(xiàn)象（路面硬化層從巷中隆起，隆起高度在300mm左右），不破除硬化層無(wú)法進(jìn)行超前單體柱支護(hù)和設(shè)備列車(chē)移設(shè)；進(jìn)入壓裂段，工作面進(jìn)入S1孔開(kāi)始（開(kāi)始切頂位置），副巷超前150m前后段再未出現(xiàn)底鼓嚴(yán)重現(xiàn)象，均是緩慢底鼓，基本不再需要起底，不影響單體柱支護(hù)和設(shè)備列車(chē)的移設(shè)。

4）徹底解決了動(dòng)壓影響巷道的問(wèn)題，尤其是臨空動(dòng)壓影響，減少了支護(hù)投入、降低了職工勞動(dòng)強(qiáng)度、確保了工作面正常回采。