劉慶林,劉文崗,2,余 杰,董 浩,吳 越,張 沛
(1.北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司,北京 100013;2.煤炭科學(xué)研究總院 應(yīng)急科學(xué)研究院,北京 100013;3.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院,陜西 西安 710054)
進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),隨著國(guó)家對(duì)西部煤炭資源的大力開發(fā),新疆的現(xiàn)代化礦井投資與建設(shè)已成為我國(guó)煤炭重點(diǎn)工程[1]。在高強(qiáng)度地開采過(guò)程中,由于煤層上覆基巖厚度與硬度均較大,許多礦井出現(xiàn)了下隅角頂板大面積懸頂?shù)那闆r,加之有些礦井工作面上部鄰近含積水、有害氣體的老窯巷道,易引起頂板災(zāi)害與礦井透水等系列重大安全事故。因此,開展預(yù)防頂板懸頂、瓦斯涌出、礦井透水等研究工作極其必要。
針對(duì)工作面端頭頂板大面積懸頂?shù)膯?wèn)題,我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的專家與學(xué)者們進(jìn)行了大量專項(xiàng)研究。黃炳香等[2]通過(guò)水壓預(yù)裂技術(shù),提出了針對(duì)工作面開采過(guò)程中頂板難垮落、瓦斯頻繁涌出、巷道變形嚴(yán)重等問(wèn)題的系列控制措施。鄧廣哲等[3]以陜北淺埋煤層開采為研究背景,通過(guò)數(shù)值計(jì)算、力學(xué)分析等綜合手段,研究了頂板預(yù)裂時(shí)裂隙發(fā)育與應(yīng)力變化的規(guī)律,建立了裂隙擴(kuò)展與應(yīng)力演化的物理力學(xué)模型,提出了系列預(yù)裂堅(jiān)硬頂板的方案。王慧林等[4]為解決因堅(jiān)硬頂板大面積突然垮落而使得采空區(qū)瓦斯涌出超限的難題,采用水壓致裂技術(shù)對(duì)工作面巷道進(jìn)行長(zhǎng)距離的鉆孔壓裂試驗(yàn),基于技術(shù)方案實(shí)施后的多次安全監(jiān)控,驗(yàn)證了該方案的可行性。陳佩東[5]針對(duì)神東某煤礦頂板堅(jiān)硬且塊度大,在該煤礦首采面放頂時(shí),應(yīng)用了水壓預(yù)裂技術(shù),使得堅(jiān)硬頂板及時(shí)垮落,試驗(yàn)效果理想。高李王[6]通過(guò)合理布置壓裂鉆孔位置,對(duì)有效致裂煤層頂板起到了顯著作用。使得老頂初次來(lái)壓步距與周期來(lái)壓步距大幅度縮減,同時(shí)懸頂現(xiàn)象不明顯。王俊峰[7]通過(guò)在工作面兩巷超前段位置實(shí)施水壓鉆孔致裂技術(shù),有效地化解了煤層頂板懸頂難垮與工作面高效開采之間的矛盾。劉宏鵬[8]應(yīng)用水壓預(yù)裂技術(shù),針對(duì)煤層群聯(lián)合開采條件下,下層煤上部采空區(qū)留設(shè)的區(qū)段煤柱進(jìn)行水壓預(yù)裂鉆孔布置,避免了下層煤回采過(guò)程中區(qū)段煤柱的應(yīng)力二次疊加現(xiàn)象,從而可為工作面安全、高效地回采作保障。吳劍楊[9]使用水壓致裂的技術(shù),通過(guò)在工作面巷道實(shí)施壓裂鉆孔布置,對(duì)煤層的堅(jiān)硬頂板進(jìn)行有效壓裂,使得工作面頂板能在有序推進(jìn)過(guò)程中垮落,回風(fēng)巷道的頂板懸頂問(wèn)題得到很好解決,揭示了克服瓦斯涌出異常的壓裂機(jī)理。于斌等[10]通過(guò)對(duì)工作面開采過(guò)程中礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律以及相關(guān)參數(shù)的監(jiān)測(cè)與計(jì)算,提出了水壓致裂頂板的方案,實(shí)現(xiàn)了理想的試驗(yàn)效果。馮彥軍等[11]基于對(duì)水壓預(yù)裂鉆孔周圍壓力變化的探測(cè),發(fā)現(xiàn)了煤層頂板懸頂鉆孔預(yù)裂的特點(diǎn),提出了水壓致裂可定向預(yù)制切口,能降低頂板裂隙擴(kuò)展的水壓值。上述研究雖從水壓預(yù)裂技術(shù)的不同角度提出了各種治理懸頂措施,但均未分步模擬鉆孔圍巖注壓起裂的全過(guò)程以及壓裂期間最大主應(yīng)力的分布變化規(guī)律,從而結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)布置方案的壓裂試驗(yàn)?zāi)苊鞔_量化壓裂孔的實(shí)際影響圓半徑。
為此,針對(duì)東溝煤礦B4-2煤層143綜采面頂板堅(jiān)硬、礦井水文地質(zhì)條件復(fù)雜等問(wèn)題,采用RFPA2D-Flow軟件來(lái)建立143工作面端頭懸頂鉆孔壓裂數(shù)值模型,本構(gòu)關(guān)系依據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則,以期得出水壓預(yù)裂的影響半徑。通過(guò)對(duì)143工作面兩巷的鉆孔試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,以期為類似礦井的安全、高效開采提供現(xiàn)實(shí)依據(jù)。
該礦主要開采B4-2煤層,其賦存結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,硬度系數(shù)大。煤層平均厚度3.1 m。偽頂厚度0.6 m,主要巖性為炭質(zhì)泥巖;直接頂平均厚度4.7 m,主要巖性為粉砂巖;老頂平均厚度7.5 m,主要巖性為粗砂巖;煤層底板平均厚度3.4 m,巖性為粉砂巖與泥巖互層;其下為B3煤層,平均厚度2.7 m。
143工作面位于井田的西部,其北部相鄰145工作面,南部緊鄰141已采工作面,礦井軌道上山與帶式輸送機(jī)運(yùn)輸上山位于143采面東部。工作面地表為山地,山體表面多為第四系堆積物,工作面與地表高差140 m以上,地面無(wú)積水區(qū)、無(wú)河流、無(wú)建筑物,煤系地層物理力學(xué)參數(shù)見表1。
表1 煤系地層力學(xué)參數(shù)
運(yùn)輸順槽跨煤柱垂直順槽鉆孔布置:根據(jù)水壓預(yù)裂理論、最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則及143工作面頂板巖層結(jié)構(gòu)、巖層厚度、巖性、采高、煤柱寬度(25 m)及三帶垮落高度等,得出鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)。①在145回風(fēng)巷道向143運(yùn)輸巷道頂板上方施工跨煤柱壓裂鉆孔,壓裂鉆孔A(A1~A10,共10個(gè)),水壓預(yù)裂鉆孔傾向布置如圖1所示;②鉆孔A1、A2、A3位于架后,鉆孔A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10位于超前段,如圖2所示;③鉆孔A開口位置距離底板2.2 m處;④鉆孔進(jìn)尺總計(jì)36.34 m×10=363.4 m,鉆孔長(zhǎng)度36.34 m,傾角為38°,A孔具體參數(shù)如圖3所示;⑤鉆孔采用56 mm鉆頭,鉆桿采用42 mm鉆桿。
圖1 水壓預(yù)裂鉆孔傾向布置
圖2 水壓預(yù)裂鉆孔走向布置
圖3 A孔參數(shù)示意
回風(fēng)順槽平行順槽鉆孔布置:根據(jù)水壓預(yù)裂理論、最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則及143工作面頂板巖層結(jié)構(gòu)、巖層厚度、巖性及采高等,提出鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)。①沿143回風(fēng)巷道向143回風(fēng)上隅角施工壓裂鉆孔H,鉆孔H開孔位置在143回風(fēng)順槽超前支架第1個(gè)超前小支架前沿,距離工作面煤壁21 m處;②鉆孔H進(jìn)尺為29.53 m×1=29.53 m,鉆孔長(zhǎng)度29.53 m,傾角28.11°,具體如圖4所示;③鉆孔采用56 mm鉆頭,鉆桿采用42 mm鉆桿。
圖4 H孔參數(shù)示意
壓裂壓力:根據(jù)水壓預(yù)裂理論計(jì)算以及水壓預(yù)裂技術(shù)在其他礦區(qū)的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),本次水壓預(yù)裂壓力約為11.5~35 MPa。
壓裂段數(shù):壓裂段數(shù)根據(jù)壓裂擴(kuò)展半徑、端頭壓裂目標(biāo)及巖層厚度確定,從鉆孔底部逐步向孔口壓裂,壓裂間隔4.5 m,壓裂段數(shù)兩次。
壓裂時(shí)間:工作面后方鉆孔及超前高位鉆孔單次壓裂時(shí)間約為25~30 min,超前段低位鉆孔壓裂時(shí)間控制為10~15 min。
壓裂鉆孔封孔:為防止采空區(qū)漏風(fēng)、有毒有害氣體外泄。壓裂結(jié)束后,要及時(shí)對(duì)壓裂鉆孔進(jìn)行封孔,采用“兩堵一注”帶壓封孔法,即先在鉆孔的兩端用袋裝聚氨酯進(jìn)行封堵,待發(fā)泡封孔袋、膨脹并凝結(jié)后,再通過(guò)注漿管對(duì)兩端聚氨酯封堵段之間的鉆孔段進(jìn)行注漿,在注漿壓力的作用下,漿液向鉆孔壁滲透并填充鉆孔周圍裂縫。施工前提前注備好封孔材料運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng),包括封孔泵、注漿管、水泥、聚氨酯等。封孔長(zhǎng)度不得小于8 m(兩頭聚氨酯封孔各2 m,中部水泥漿4 m)。
封孔步驟:安裝注漿管→聚氨酯封孔→注水泥漿→關(guān)閉注漿管閥門→封孔結(jié)束。
建立模型:針對(duì)該礦143工作面的實(shí)際情況,來(lái)建立端頭懸頂鉆孔水壓預(yù)裂數(shù)值模型。模型采用二維平面應(yīng)力模型,模擬走向長(zhǎng)度40 m,高度18 m,模型從下至上依次為B4-2煤層、直接頂、老頂,中心壓裂孔位于老頂中心,設(shè)直徑113 mm。模型如圖5所示,共劃分72 000個(gè)單元。
圖5 水壓預(yù)裂模型
模型參數(shù):根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果可知,B4-2煤層上覆巖層垂直應(yīng)力20 MPa左右,其測(cè)壓系數(shù)約1.4。故可在模型頂面加載約20 MPa的載荷來(lái)模擬煤層老頂?shù)纳细矌r重,由于測(cè)壓系數(shù)為1.4,可設(shè)定模型的水平應(yīng)力為28 MPa。邊界條件設(shè)定為:兩端水平約束,可垂直移動(dòng);底端固定約束,位移為零。本模擬采用均質(zhì)度系數(shù)a表示煤層與巖樣材料的均質(zhì)度,并通過(guò)材料實(shí)際強(qiáng)度與a的相關(guān)度,對(duì)本次模型輸入相應(yīng)力學(xué)參數(shù)。本次模型所測(cè)得力學(xué)相關(guān)參數(shù)見表2。材料性質(zhì)按Weibull分布來(lái)賦值,本構(gòu)關(guān)系依據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。壓裂鉆孔采用圓形孔洞表示,布置在本次模型的中心位置,設(shè)定第1步即可開挖結(jié)束;注水壓力加載的初始值取10 MPa,單步增量值為0.2 MPa,分步加載至老頂破裂為止。
表2 頂板力學(xué)及滲流參數(shù)表
模擬結(jié)果:如圖6所示,分別為Step-10、Step-40、Step-70、Step-100、Step-130及Step-160的剪應(yīng)力分布云圖,各單元的亮度來(lái)表示其所受應(yīng)力值大小,即灰度越深表示其所受應(yīng)力值越小;越明亮則表示其所受應(yīng)力值越大。
圖6 不同時(shí)期水壓預(yù)裂應(yīng)力云圖
結(jié)果分析:①由Step-10可知,壓裂開始時(shí),壓裂孔附近圍巖應(yīng)力均衡分布,未出現(xiàn)應(yīng)力集中;由于壓裂孔開挖,致使孔周圍出現(xiàn)塑性破壞區(qū)和彈性變化區(qū),故圍巖應(yīng)力開始降低,逐漸形成弱面。②由Step-40可知,由于水壓值的增加,水流會(huì)滲入鉆孔內(nèi)壁的弱面中,使得鉆孔圍巖應(yīng)力迅速集中,其兩側(cè)顯現(xiàn)一條亮斜帶;此時(shí)鉆孔圍巖發(fā)生破壞,但未出現(xiàn)明顯的裂縫。③由Step-70可知,此時(shí)水壓已經(jīng)達(dá)到24 MPa,孔壁周圍弱面開始起裂,產(chǎn)生了一些微裂隙,形成了一個(gè)“十字”交叉型裂隙。壓增區(qū)會(huì)擴(kuò)展至平衡區(qū)內(nèi),致使鉆孔周圍的壓降區(qū)范圍擴(kuò)大。與此同時(shí),由于主裂隙的擴(kuò)展,引起二次裂隙逐漸發(fā)育,基于材料的均質(zhì)度較大,故二次裂隙出現(xiàn)的位置不能精準(zhǔn)預(yù)判。隨著裂隙不斷擴(kuò)展,壓裂孔周圍的壓增區(qū)也開始向圍巖深部擴(kuò)大,而孔附近形成了壓降帶。④由Step-100可知,形成了明顯的水壓預(yù)裂裂隙,主要有4條水壓預(yù)裂裂隙,壓裂孔周圍的壓增區(qū)繼續(xù)擴(kuò)大,壓降帶范圍隨之增加。⑤由Step-130可知,裂隙得到有效的擴(kuò)展,壓力上升卻未破壞。此時(shí)明顯可看出,已形成的裂隙中外圍有零星的破裂點(diǎn),但未有貫穿裂隙。⑥由Step-160可知,形成一個(gè)“十字”型裂隙,壓力為42 MPa,隨著裂隙進(jìn)一步的擴(kuò)展,壓裂孔上偏約15°方向出現(xiàn)了最長(zhǎng)裂隙,長(zhǎng)度為22 m,同時(shí)壓裂孔一側(cè)裂隙長(zhǎng)度為11 m,與其垂直方向形成了一條較短裂隙,長(zhǎng)度為14 m。
水壓預(yù)裂的影響半徑范圍:壓裂區(qū)域內(nèi),可有效形成壓降區(qū)。從巖體的破裂范圍及破裂程度上來(lái)看,壓裂孔附近區(qū)域的巖體要優(yōu)于遠(yuǎn)離壓裂孔區(qū)域的巖層,故水壓預(yù)裂的影響半徑范圍為7~10 m。
模擬結(jié)果:如圖7所示,為壓裂孔中心線位置的主應(yīng)力變化曲線圖。其中水平距離x與應(yīng)力值y組成二維平面坐標(biāo),壓裂孔范圍x=15~35 m,孔中心x=25 m,如圖中灰色矩形塊所示,監(jiān)測(cè)壓裂孔x范圍的主應(yīng)力變化規(guī)律。
結(jié)果分析:由圖7可得,水壓預(yù)裂不同階段主應(yīng)力變化趨勢(shì)大體一致,具體表現(xiàn)為壓裂孔附近圍巖形成壓降區(qū),其兩側(cè)為壓增區(qū),平衡區(qū)則處于最外側(cè)范圍。同時(shí),揭示出不同階段增壓區(qū)域的應(yīng)力峰值各不相同。①水壓預(yù)裂孔兩側(cè)應(yīng)力峰值大小相差不大。如水壓預(yù)裂初始階段,應(yīng)力峰值最大,最大值接近30 MPa,水壓預(yù)裂孔孔兩側(cè)應(yīng)力峰值呈逐漸減小趨勢(shì),待壓裂完成后,兩側(cè)應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力峰值最小,約18 MPa。②水壓預(yù)裂孔壓降區(qū)范圍隨著注水壓力增加而擴(kuò)大。如:水壓預(yù)裂初始階段(即Step-10至Step-40),壓裂孔周圍20 m范圍內(nèi),最低應(yīng)力2.5 MPa,最高7 MPa。由于壓裂開始并未產(chǎn)生裂隙,故壓降區(qū)不明顯;水壓預(yù)裂中期(即Step-70至Step-100),形成了較小范圍壓降區(qū),此時(shí)壓裂鉆孔圍巖20 m范圍內(nèi),應(yīng)力明顯降低,最高應(yīng)力4.8 MPa,最低應(yīng)力0 MPa;水壓預(yù)裂后期(即Step-130至Step-160),壓裂孔周圍形成了較大范圍壓降區(qū),在壓裂孔周圍20 m范圍內(nèi),應(yīng)力全部為0 MPa,表明在此區(qū)域內(nèi),產(chǎn)生了裂隙致使壓力驟降。
圖7 不同時(shí)期壓裂孔周圍應(yīng)力云圖
壓降區(qū)、壓增區(qū)和平衡區(qū)劃分:通過(guò)對(duì)巖層進(jìn)行水壓預(yù)裂,破壞了原巖應(yīng)力平衡狀態(tài),造成了壓裂孔附近區(qū)域圍巖的應(yīng)力峰值大幅度降低,從而形成壓降區(qū)。同時(shí)壓降區(qū)附近圍巖的應(yīng)力峰值升高,形成了壓增區(qū)。故依據(jù)壓裂后圍巖的應(yīng)力變化特點(diǎn),將壓裂孔附近圍巖由近及遠(yuǎn)劃為壓降區(qū)、壓增區(qū)和平衡區(qū)。如圖8所示,基于模擬結(jié)果中應(yīng)力集中程度的演化規(guī)律,可得其應(yīng)力分布示意圖。即以壓裂孔為圓心,虛線圈表示本次實(shí)際影響半徑,半徑10 m的Ⅰ表示壓降區(qū);10~15 m的Ⅱ表示壓增區(qū);15 m外的Ⅲ表示平衡區(qū)。
圖8 壓裂孔圍巖應(yīng)力分布示意
設(shè)計(jì)原則:根據(jù)水壓預(yù)裂力學(xué)準(zhǔn)則,結(jié)合143工作面老頂?shù)膸r性、塊度及開采條件等確定設(shè)計(jì)原則。①基于工作面水壓預(yù)裂工程經(jīng)驗(yàn),并匹配原有設(shè)備的壓裂能力,故壓裂鉆孔間距為10 m;②通過(guò)分析地質(zhì)資料,該工作面上覆基巖層的直接頂破碎,屬良好滲透層,不利于壓裂,故壓裂層位應(yīng)避免;③工作面老頂厚度7.5 m左右,整體強(qiáng)度高,塊度大,故屬重點(diǎn)壓裂區(qū)域。
水壓預(yù)裂鉆孔布置:①在145回風(fēng)巷道向143運(yùn)輸巷道頂板上方施工跨煤柱壓裂鉆孔。鉆孔A(A1-A5)和鉆孔B(B1-B5),計(jì)劃將A、B鉆孔交替垂直于巷道幫部布置,如圖9所示;②鉆孔A1、B1、A2、B2、A3位于架后,鉆孔B3、A4、B4、A5、B5位于超前段;③鉆孔A和鉆孔B開口位置距離底板3.1 m處,鉆孔進(jìn)尺總計(jì):181.7 m(5個(gè)A孔)+166.5 m(5個(gè)B孔)=348.2 m。
圖9 壓裂鉆孔布置示意
根據(jù)水壓預(yù)裂理論計(jì)算以及水壓預(yù)裂技術(shù)工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),估算本次水壓預(yù)裂壓力約20~46 MPa??椎字量卓谝来螇毫?,壓裂間隔3.5~5 m,平均壓裂兩次;超前高位鉆孔單次壓裂時(shí)間約22 min,低位鉆孔單次壓裂時(shí)間約13 min。其壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖10所示?;?43工作面老頂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)水壓預(yù)裂能對(duì)老頂高效率壓裂,其高壓水可擴(kuò)展至臨近位置鉆孔,影響區(qū)域?yàn)橐詨毫芽诪閳A心的6~10 m半徑范圍。其試驗(yàn)結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)吻合,故取水力裂縫的擴(kuò)展半徑為6 m,裂縫可實(shí)現(xiàn)有效貫通。
圖10 水壓預(yù)裂壓力監(jiān)測(cè)
(1)應(yīng)用RFPA2D-Flow數(shù)值計(jì)算軟件,建立了鉆孔水壓預(yù)裂模型。數(shù)值模擬表明,當(dāng)注水壓力達(dá)到24 MPa時(shí),巖層開始起裂,隨后壓裂裂隙向巖體深部呈“十字”型擴(kuò)展,在壓裂結(jié)束后,裂隙延伸擴(kuò)展長(zhǎng)度可達(dá)到7~10 m左右;水壓預(yù)裂影響范圍半徑可達(dá)10 m。
(2)設(shè)計(jì)實(shí)施了平行順槽巷道和跨煤柱垂直順槽兩種鉆孔設(shè)計(jì)及其優(yōu)化方案,試驗(yàn)獲得了懸頂水壓預(yù)裂技術(shù)壓裂壓力、壓裂時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù),并驗(yàn)證了數(shù)值模擬的合理性。試驗(yàn)表明,端頭懸頂走向長(zhǎng)度從27~30 m降為5~8 m,傾向?qū)挾葟?0~15 m降為2~5 m;工作面上隅角瓦斯控制在0.3%左右。