中興礦1209運(yùn)輸巷水力壓裂切頂卸壓技術(shù)實(shí)踐

閆樹(shù)鵬

(汾西礦業(yè)集團(tuán) 中興煤業(yè)公司，山西 交城 030500)

1 工程背景

汾西礦業(yè)集團(tuán)中興煤礦屬于高瓦斯礦井，1209工作面位于一采區(qū)北翼，走向長(zhǎng)1 252 m，傾向長(zhǎng)1段163 m、2段151 m。北面為安則村保安煤柱線，南面為一采總回風(fēng)巷、東翼軌道巷、東膠帶巷，東面為1207工作面(未采)，西面為1211工作面(已采)。工作面標(biāo)高700～765 m，蓋山厚度452.7～630.8 m，工作面布置見(jiàn)圖1。綜采1209工作面目前正在回采，預(yù)計(jì)相對(duì)瓦斯涌出量為7.8 m3/t,絕對(duì)瓦斯涌出量為7.6 m3/min。工作面采用了沿空留巷充填技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱開(kāi)采，提高資源回收率，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，也解決了生產(chǎn)銜接緊張問(wèn)題。同時(shí)因?yàn)檠乜樟粝镄纬蓛蛇M(jìn)一回“Y”型通風(fēng)方式，也解決了工作面高瓦斯問(wèn)題，使工作面安全程度大幅提高。但是回采過(guò)程中,工作面超前及側(cè)向支承壓力影響對(duì)充填墻體強(qiáng)度和留巷支護(hù)也帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

圖1 1209工作面布置

針對(duì)以上技術(shù)難題，礦方引進(jìn)水力預(yù)裂超前切頂卸壓技術(shù)，在1209運(yùn)輸巷上方頂板進(jìn)行超前水力預(yù)裂，使頂板巖層產(chǎn)生裂隙，破壞頂板巖層完整性，減少懸頂降低煤柱中的應(yīng)力集中程度，從根本上改善充填墻體和留巷的維護(hù)難度。

2 水力壓裂技術(shù)介紹

水力壓裂技術(shù)自提出以來(lái)，已應(yīng)用于石油和天然氣工業(yè)、水利水電工程、地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)、核廢料儲(chǔ)存、地應(yīng)力測(cè)量等領(lǐng)域，顯示出廣泛的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。水力壓裂作為經(jīng)濟(jì)、安全、高效的堅(jiān)硬頂板控制技術(shù)，已在我國(guó)部分煤礦得到了驗(yàn)證，成為我國(guó)煤礦堅(jiān)硬難跨頂板控制的有效手段。我國(guó)眾多學(xué)者對(duì)其機(jī)理進(jìn)行了研究，表明水力壓裂可使頂板巖層定向壓裂、破壞頂板巖層的完整性，進(jìn)而削弱頂板的強(qiáng)度和整體性，使采空區(qū)頂板能夠分層分次垮落，縮短初次來(lái)壓和周期來(lái)壓步距，達(dá)到減小或消除堅(jiān)硬難垮頂板對(duì)工作面回采危害的目的。

鑒于水力壓裂可削弱巖層的整體性和穩(wěn)定性，并能定向切割頂板巖層，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。同時(shí)，水力壓裂技術(shù)具有安全性高、工程量小、成本低及適應(yīng)性強(qiáng)(如高瓦斯礦井)等特點(diǎn)。該技術(shù)已經(jīng)在晉城、潞安、邢臺(tái)、伊泰、中煤蒙陜、神東、神南礦區(qū)推廣應(yīng)用，取得了良好的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益。

3 水力壓力切頂卸壓方案設(shè)計(jì)

1209工作面開(kāi)采4號(hào)煤層，根據(jù)1209工作面巷道掘進(jìn)揭露情況分析：4號(hào)煤頂板節(jié)理較發(fā)育，部分地段較破碎，壓力大，偽頂易垮落，工作面在掘進(jìn)中將揭露大小斷層3條。

施工順序：記錄頂板巖層結(jié)構(gòu)—確定壓裂參數(shù)—壓裂鉆孔施工—實(shí)施壓裂—壓裂監(jiān)測(cè)。

具體巷道施工位置根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件調(diào)整。鉆孔參數(shù)根據(jù)頂板巖層厚度、巖性、礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)與范圍，壓裂鉆孔布置見(jiàn)圖2。

圖2 1209巷水力壓裂鉆孔布置(m)

為了避免影響工作面正常生產(chǎn)以及施工工期的要求，試驗(yàn)段位置應(yīng)超前工作面150 m。布置壓裂鉆孔S，鉆孔朝向工作面切巷。

鉆孔參數(shù)：鉆孔長(zhǎng)30 m，孔間距為8 m，仰角為45°，偏角20°；壓裂位置：鉆孔15～30 m，每2 m水力預(yù)裂1次，共壓裂8次，采用倒退式壓裂，壓裂垂直距離在頂板以上10～20 m范圍內(nèi)，壓裂水平距離在充填墻體靠近采空區(qū)墻邊1～6.5 m范圍內(nèi)。

壓裂鉆孔的施工，鉆頭直徑為56 mm，鉆桿直徑宜采用42 mm。

4 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

1209運(yùn)巷超前水力壓裂，于2019年6月12日開(kāi)始施工，8月5日施工完畢。共計(jì)施工42個(gè)鉆孔，鉆孔工程量1 230 m，試驗(yàn)344 m，平均孔深29 m，最深孔為21號(hào)孔，孔深40 m；最淺孔為41號(hào)孔，孔深23 m。1號(hào)孔于8月8日進(jìn)入留巷，目前1～25號(hào)孔已進(jìn)入留巷，1號(hào)孔已進(jìn)入留巷211 m。水力壓裂壓力10～26 MPa，平均18 MPa，其中靠鉆孔上部水力壓裂壓力較大(因上部為砂巖，硬度較大)。

4.1 巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

將1209運(yùn)巷水力壓裂段進(jìn)入留巷和未壓裂段進(jìn)入留巷進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果比較，分別在進(jìn)入留巷的未壓裂段設(shè)置1個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，壓裂段設(shè)置3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)(1號(hào)、11號(hào)及21號(hào)孔)。隨工作面的推進(jìn)距離增加，從巷道圍巖變形量和留墻變形情況結(jié)果進(jìn)行分析(壓裂段數(shù)據(jù)取自2019-8-10—2019-9-29期間)未壓裂段與壓裂段隨工作面推進(jìn)巷道變形量如圖3和圖4所示。

圖3 未壓裂段隨工作面推進(jìn)巷道變形量

圖4 壓裂段隨工作面推進(jìn)巷道變形量

通過(guò)對(duì)未壓裂段隨工作面推進(jìn)巷道變形趨勢(shì)與壓裂段隨工作面推進(jìn)巷道變形趨勢(shì)進(jìn)行比較，對(duì)巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析、對(duì)比可以看出：

運(yùn)巷進(jìn)入留巷后隨回采繼續(xù)向前推進(jìn)距離的增加，未壓裂段和壓裂段圍巖變形量均在增加，且未壓裂段圍巖變形量呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)，而壓裂段呈緩慢增長(zhǎng)，兩者差別較大。壓裂孔進(jìn)入留巷后工作面繼續(xù)推進(jìn)211 m結(jié)果進(jìn)行分析，未壓裂段頂?shù)装遄畲笠平繛? 070 mm，兩幫收縮量為160 mm；壓裂段頂?shù)装遄畲笠平繛?00 mm，兩幫收縮量為35 mm；壓裂段頂?shù)装逡平繛槲磯毫讯蔚?6%，壓裂段兩幫收縮量為未壓裂段的22%。

4.2 留墻收縮量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

未壓裂段與壓裂段沿空留墻情況對(duì)比如圖5所示，通過(guò)未壓裂段進(jìn)入留巷后留墻變形情況與壓裂段進(jìn)入留巷后留墻變形情況對(duì)比可以看出：壓裂段在進(jìn)入留巷后留墻的變形量較大，而壓裂段在進(jìn)入留巷后留墻的變形量較小。由此可以肯定，通過(guò)超前預(yù)裂可以對(duì)留墻起到保護(hù)的作用，降低了后期的巷道維護(hù)成本。

圖5 沿空留墻情況對(duì)比

4.3 采空區(qū)頂板垮落

壓裂段采空區(qū)及留墻里側(cè)頂板情況如圖6所示，通過(guò)對(duì)壓裂段進(jìn)入留巷后采空區(qū)效果觀察可以看出：

圖6 壓裂段采空區(qū)及留墻里側(cè)頂板情況

1) 采空區(qū)頂板呈臺(tái)階式垮落，在留墻里側(cè)1 m位置可觀察到臺(tái)階式斷裂現(xiàn)象(原為三角懸板結(jié)構(gòu))。從上部采空區(qū)到留墻范圍內(nèi)的頂板進(jìn)行預(yù)裂后，上部巖層對(duì)留墻造成的壓力較小。

2) 采空區(qū)側(cè)用于擋矸的鋼筋網(wǎng)片受力較小無(wú)較大變形。

3) 留墻里側(cè)的頂板較完整，采空區(qū)的矸石不會(huì)對(duì)留墻造成影響。

4) 留墻上方頂板比較平整，無(wú)吊包、漏渣等情況。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 水力預(yù)裂切頂卸壓技術(shù)配合柔模高水速凝充填沿空留巷針對(duì)長(zhǎng)距離大埋深高地應(yīng)力地質(zhì)條件具有較好的適用性，可以提高沿空留巷率、降低返修率。

2) 水力壓裂在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中也存在一定問(wèn)題：水力預(yù)裂切頂卸壓技術(shù)需要在工作面開(kāi)始推進(jìn)前進(jìn)行，必須按照采掘銜接計(jì)劃進(jìn)行施工，造成施工隊(duì)伍安排的局限性。如果提前施工會(huì)破壞預(yù)裂段頂板的完整，后期還需進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，增加了生產(chǎn)工序。作業(yè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的回水，并直接排放到巷道內(nèi)，給標(biāo)準(zhǔn)化工作帶來(lái)管理難題。