吳建星

（1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京100013；2.煤炭科學研究總院 開采設計研究分院，北京100013；3.中國礦業(yè)大學（北京）能源學院，北京100083）

為有效解決工作面上隅角瓦斯積聚、回風巷瓦斯含量高等問題，有些高瓦斯礦井綜放工作面采用兩進兩回的雙U型巷道布置方式。外U巷道服務本工作面及相鄰下一工作面回采時，受到2個工作面回采動壓影響，應力疊加，為高應力強采動影響的留巷巷道，應力高，變形量大，巷道圍巖極難控制[1]。針對此類留巷巷道圍巖控制問題，康紅普等[2-3]分析了留巷及采煤工作面周圍的應力分布，進行了高預應力強力錨桿與錨索支護、全錨索支護試驗，顯著降低了巷道變形，并提出應從提高支護強度、改善圍巖特性、降低圍巖應力等多個方面聯合進行圍巖綜合控制。

降低巷道圍巖應力的方法有爆破切頂卸壓、掘卸壓巷、開卸壓槽、鉆孔卸壓及定向水力壓裂卸壓等[4]。其中，針對定向水力壓裂卸壓技術，國內外學者進行了相關研究并取得了一系列成果[5-8]。馮彥軍[9]等開發(fā)了相應水力壓裂設備，研究分析了水力壓裂裂紋擴展規(guī)律；康紅普等[10]采用空心包體開展了定向水力壓裂工作面煤體應力監(jiān)測；吳擁政等[11-13]進行了煤礦砂巖大尺寸真三軸橫向水力壓裂試驗，研究分析了煤柱留巷巷道水力壓裂卸壓機理，指出定向水力壓裂卸壓可以切斷堅硬頂板懸臂，改善巷道周邊應力環(huán)境；林健等[14]采用全鉆孔注漿錨固的改進型空心包體應力計進行了水力切頂巷道頂板三維應力隨工作面推進演化規(guī)律實測及分析研究；張鎮(zhèn)[15]采用UDEC軟件對水力壓裂鉆孔壓裂次數和壓裂位置對卸壓效果的影響進行了數值模擬研究；劉愛卿[16]研究了受上層工作面采動高應力影響近距離煤層底抽巷的水力壓裂切頂卸壓護巷技術；程蓬[17]針對堅硬頂板難以及時垮落，造成工作面回采礦壓強烈，巷道變形劇烈，治理難度大的問題，進行了特厚煤層動壓巷道水力致裂卸壓護巷技術研究；孫志勇、陳金宇、石垚等[18-21]分別在大采高留巷、沿空留巷、孤島工作面動壓巷道和回撤通道中進行了單及雙排壓裂孔預裂卸壓試驗。

綜上，前人在水力壓裂卸壓設備、機理等方面進取得了許多成果，同時也進行了不同條件的現場試驗，但因水力壓裂機理復雜，壓裂范圍大探測困難，現場試驗仍為水力壓裂探究的主要方法。在借鑒以上研究成果的基礎上，以山西潞安漳村煤礦2502工作面輔助進風巷作為試驗巷道，進行了單排孔、不同壓裂步距的定向水力壓裂卸壓試驗，并根據不同壓裂步距下煤柱應力、工作面液壓支架阻力等試驗數據的比對分析，探究了鉆孔密度對降低留巷巷道及護巷煤柱應力集中效果的影響，并成功實現了雙U工作面外側巷道的成功留設，滿足現場的回采需求。

1 試驗地點地質力學測試

漳村煤礦2502工作面輔助進風巷位于2502工作面南側，與2502運輸巷相鄰，二者煤柱凈寬度為20 m，沿煤層底板掘進，斷面為寬4.4 m，高3.3 m，埋深約460～470 m，長度約870 m，主要用于2502工作面回采及相鄰的2505工作面回采輔助通風。2502工作面布置圖如圖1。煤層頂板巖性綜合柱狀圖如圖2。

圖1 2502工作面平面布置圖Fig.1 2502 working face layout plan

圖2 煤層頂板巖性綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive column diagram of coal seam roof

2502輔助進風巷要經歷2502工作面回采的影響，同時還作為鄰近工作面2505工作面回采時的復用巷道，經歷二次采動影響，屬于典型的動壓巷道。巷道支護難度大，尤其在超前支護段，巷道變形速度快、變形量大，雖已進行了強力支護，但為保證留巷能夠滿足臨近工作面回采要求，有效控制巷道變形，采用定向水力壓裂技術在運輸巷進行卸壓試驗。

2502工作面垂直應力為11.63 MPa，最大水平主應力為16.96 MPa，方向為N45°E。地應力測試后對巷道頂板圍巖進行了結構窺視及強度測試，2502運輸巷頂板煤巖體抗壓強度測試結果如圖3，可以得出巷道頂板2.5 m為頂煤，抗壓強度為9.8～16 MPa；2.5～4.8 m為泥巖，抗壓強度為36～40 MPa；4.8～11 m范圍內大部分測點抗壓強度在60 MPa以上，最大為抗壓強度為96 MPa；11～19 m范圍內12.8 m及16.4 m處抗壓強度高于60 MPa，需對其中抗壓強度60 MPa以上的硬巖進行弱化處理，使其回采后及時垮落，防止較大懸臂形成。

圖3 2502運輸巷頂板煤巖體強度測試結果Fig.3 Strength test results of coal and rock mass of 2502 roadway roof

2 水力壓裂卸壓試驗

2.1 卸壓機理

注高壓水可以使鉆孔中產生圍壓，并在鉆孔內預制定向槽處產生應力集中點，當應力集中點受力超過圍巖抗拉強度時，鉆孔即產生拉破壞，并出現裂縫，在高壓水的繼續(xù)作用下使裂縫進一步擴展，達到弱化頂板的目的。定向水力壓裂煤柱留巷卸壓機理是采用注高壓水產生裂縫來切斷或弱化護巷煤柱上部堅硬頂板，使其及時垮落充填采空區(qū)，增加采空區(qū)承擔的載荷，降低煤柱和實體煤載荷，改變應力轉移和分配比例，改善留巷受力狀態(tài)，減少留巷變形[12]。

2.2 水力壓裂試驗方案設計

基于前人研究的成果，結合2502工作面現場回采情況，確定在2502運輸巷進行單排壓裂孔定向水力壓裂卸壓試驗，壓裂長度為323 m。同時，為了試驗不同鉆孔間距的壓裂效果，設置了不同的鉆孔間距進行壓裂。2502運輸巷壓裂鉆孔布置如圖4。

圖4 2502運輸巷壓裂鉆孔布置Fig.4 Layout of fracturing drilling in transportation roadway of 2502 working face

1）沿2502運輸巷分3組布置水力壓裂鉆孔，組距15 m，鉆孔間距分別為9、14、26 m，對應的鉆孔數量分別為11個、8個、5個，試驗長度分別為92、98、103 m，如圖4（a）。

2）根據地應力、頂板圍巖結構窺視及強度測試結果，結合壓裂及封孔設備要求，確定采用單排壓裂鉆孔進行壓裂。壓裂鉆孔直徑56 mm，長度20 m，仰角53°，其投影與煤壁夾角為45°，如圖4（b）；每個壓裂鉆孔分19、16、13、10 m共4個壓裂段進行定向壓裂。

2.3 水力壓裂試驗過程

1）采用直徑為φ56 mm的保徑加強鉆頭按照設計參數進行壓裂孔打設并開切定向槽；安裝連接壓裂系統(tǒng)并進行調試，將封孔器用注水鋼管推送至預定位置。

2）加壓封孔器密封，待壓力達到10 MPa后停止加壓，觀察鉆孔并監(jiān)測壓力表，檢驗封孔器能否保壓。

3）開啟水壓儀及高壓水泵，慢慢加壓并記錄水泵壓力表、流量計以及手動泵壓力表數據繼續(xù)加壓直至預裂縫開裂，這時壓力會突然下降，保壓注水使裂紋繼續(xù)擴展，保壓注水壓裂時間根據現場壓裂情況確定。不同密度孔壓裂施工記錄（其中1#、14#、22#孔分別位于9、14、26 m孔間距段，19、16、13、10 m分別為壓裂位置距孔口距離）見表1。若巷道頂板、煤幫、錨索或鉆孔中有水滲出或冒出時，立即停止壓裂。從現場施工記錄可以看出：①大部分壓裂段壓力達到20 MPa以上，保壓20 min以上，部分壓裂段在相鄰孔口、或頂板錨索處出現大量出水現象，保壓不足20 min，說明在20 MPa水壓時，達到巖體抗拉強度以上，使巖體產生張拉裂縫；②同一壓裂孔內深部壓裂段較淺部壓裂段保持壓力高，不同壓裂孔同一壓裂位置壓力相差不大，說明巷道周邊深部圍巖完整性比淺部完整性較好，能夠保持較高壓力；③不同密度壓裂時周邊壓裂孔出水不同，壓裂孔間距為9 m和14 m時，周邊壓裂孔均出水，壓裂孔間距為26 m時未從周邊孔出水，說明壓裂孔間距在14 m時，在高壓水的作用下圍巖裂隙能夠貫通，裂隙擴展半徑大概達到14 m，類似條件下將壓裂孔間距設置為14 m，既可以保證壓裂卸壓效果，同時能夠降低壓裂成本；④在中部及淺部壓裂段壓裂過程中，出現頂板錨索大量出水現象，說明壓裂時圍巖內裂縫不斷擴展延伸并與頂板錨索鉆孔導通，當工作面回采后巷道頂板能夠及時垮落，從而避免了懸臂的產生，減小了煤柱支承壓力。

表1 不同密度孔壓裂試驗記錄Table 1 Fracturing operation records of holes with different densities

4）該壓裂段壓裂結束后，關閉高壓泵電源，將封孔器泄壓后退至下一壓裂段進行壓裂，直至所有壓裂段完成后，退出壓裂桿與封孔器。整個孔壓裂結束后，采用窺視儀檢驗壓裂效果。壓裂前后1?？?6 m處圍巖結構對比如圖5，從圖5中可以看出，壓裂后在鉆孔內形成了裂紋及破碎區(qū)。

3 礦壓監(jiān)測及試驗結果分析

為了評價不同壓裂段試驗數據，在壓裂段和非壓裂段設置若干測站，對護巷煤柱應力變化、巷道表面位移數據進行了監(jiān)測。

3.1 鉆孔密度對煤柱應力變化的影響

圖5 壓裂前后1＃鉆孔16 m處圍巖結構對比Fig.5 Comparison of surrounding rock structure at 16 m of N o.1 drilling hole before and after fracturing

在2502運輸巷和輔助進風巷之間的煤柱中安裝鉆孔應力計來監(jiān)測煤柱應力變化，測站總體布置如圖6。根據壓裂孔密度的不同，按照圖6布置1?！?＃測站（其中1＃～3＃測站分別處于壓裂孔間距9、14、26 m段，4＃處于非壓裂段），分別監(jiān)測壓裂段和非壓裂段煤柱應力變化，鉆孔應力計安裝深度分別為4、6、8、10、12、14、16、18 m，間距2 m。監(jiān)測時間從2015年3月8日始至2016年3月8日止，監(jiān)測結果如圖7。由于井下不可控原因，部分測點（1＃測站的14 m和12 m，4＃測站的18 m和16 m）沒有獲得數據，未在圖上顯示。

圖6 測站總體布置Fig.6 Layout of the test station

分析圖7中曲線走勢，可以看出煤柱應力變化呈現以下特點。

1）當工作面距測站較遠時，各測站所測煤柱應力基本在1.5～4.3 MPa之間保持穩(wěn)定，變化極小，平均值分別為3.57、2.70、1.99、2.78 MPa。

2）隨著工作面的推進，煤柱應力開始出現小幅波動，當工作面距測站距離較近時，應力波動幅度急劇變大，不同壓裂段最大值分別達到12.7、23.3、28.7 MPa，非壓裂段最大值達到43.4 MPa，應力集中系數分別為3.56、8.63、14.42、15.61，這說明水力壓裂能降低煤柱的應力集中系數，且壓裂孔越密，煤柱應力集中系數越小。而煤柱應力較初始時升高，是由于煤柱兩幫打設了預應力錨桿、錨索，對煤柱表面產生了主動支護作用力，使得原先已經屈服的煤柱仍具有一定的整體承載能力。

3）工作面推過測站后，應力開始降低，最終趨于穩(wěn)定，淺部測點應力降為0，深部測點應力仍有一定的殘值剩余，基本維持在0.4～1.2 MPa之間。

3.2 鉆孔密度對巷道卸壓效果的影響

圖7 護巷煤柱應力監(jiān)測曲線Fig.7 Stress monitoring curves of coal pillar for roadway guard

為研究鉆孔密度對巷道卸壓效果的影響，分別布置了高、中、低3種密度的水力壓裂鉆孔，間距分別為9、14、26 m。不同壓裂段及非壓裂段的煤柱平均應力監(jiān)測曲線如圖8。

圖8 不同壓裂段的煤柱平均應力變化曲線Fig.8 Curves of average stress variation of coal pillar in different fracture densities

1）圍巖淺部（距巷道表面10 m），卸壓孔密度對巷道卸壓效果的影響不明顯；圍巖深部，隨著距巷道表面距離的增加，壓裂孔布置得越密，巷道卸壓效果越明顯，高、中、低3種密度的18 m鉆孔壓裂后煤柱應力分別為4.9、5.8、10.4 MPa。鉆孔密度提高3倍后，巷道卸壓效果（降低煤柱應力）提升53%。

2）壓裂段和非壓裂段比較，煤柱平均應力分別為2.9、3.3、4.6、5.9 MPa，非壓裂段應力是高密度壓裂段的2倍，可見水力壓裂對巷道頂板的卸壓效果非常明顯。

3）沿著煤柱剖面看，無論是壓裂段還是非壓裂段，鉆孔越深，煤柱應力越大。這是因為孔口處靠近巷幫表面，煤體為平面應力狀態(tài)，圍壓較?。簧羁滋幟后w接近或屬于三向應力狀態(tài)，圍壓升高。

3.3 壓裂對工作面支架工作阻力的影響

在工作面液壓支架上安裝了壓力計，監(jiān)測支架工作阻力隨著工作面推進變化情況，來評價定向水力壓裂對工作面頂板來壓的控制作用。5＃、35＃支架工作阻力監(jiān)測結果如圖9，其中5＃為端頭附近的ZT6500—19.5/34型 支 架，35＃為 工 作 面 中 部 的ZFS6000－17/33型支架。

從2種支架2015年3月10日至4月14日的工作阻力可以看出：

1）根據現場生產資料顯示，2502工作面3月至4月期間處于配采狀態(tài)，每天僅推進1刀煤；3月10日—4月14日2種支架的工作阻力曲線波動較顯著降低，基本頂初次來壓可能性較大。

2）基本頂初次來壓時，5＃支架和35＃支架工作阻力均明顯下降，總體呈低阻力狀態(tài)；同時5＃支架降幅更加明顯，多數受力近乎為0；35＃支架受力多數集中在1 200 kN左右；說明2502運輸巷水力壓裂作業(yè)后在巷道頂板巖層中形成裂隙，有效弱化巷道頂板局部圍巖強度，破壞了局部頂板的完整性，降低應力集中程度，減小端頭支架的工作阻力。

圖9 2502工作面支架工作阻力連續(xù)監(jiān)測曲線Fig.9 Continuous monitoring curves of working resistance of support on 2502 working face

3.4 壓裂前后表面位移對比

在2502輔助進風巷壓裂段和非壓裂段進行頂底板移近量和兩幫收縮量監(jiān)測，監(jiān)測結果可以得出：非壓裂段頂底板最大移近533 mm，兩幫最大收縮628 mm；壓裂段頂底板最大移近296 mm，兩幫最大收縮466 mm；壓裂段巷道頂底板和兩幫位移量分降低45%和26%，表明水力壓裂措施能降低煤柱應力集中程度，減少巷道圍巖變形，特別是對控制巷道底鼓效果明顯。

4結 語

1）基于定向水力壓裂卸壓機理，在現場地應力、頂板圍巖鉆孔窺視及圍巖強度測試結果的基礎上，確定了以漳村煤礦作為水力壓裂試驗探究地點，設計了不同鉆孔間距的壓裂段并進行從孔底向孔口后退式分段逐次壓裂，對比不同壓裂孔間距發(fā)現，壓裂孔間距較小時，壓裂裂紋能夠擴散至周邊壓裂孔；綜合對比分析得出類似條件下14 m壓裂孔間距經濟合理。

2）卸壓孔密度對巷道卸壓圍巖淺部的影響不明顯；隨著距巷道表面距離的增加，壓裂孔布置得越密，巷道卸壓效果越明顯。鉆孔密度提高3倍后，巷道卸壓效果提升53%。

3）定向水力壓裂在巷道頂板巖層中形成裂隙，有效弱化巷道頂板局部圍巖強度，破壞了局部頂板的完整性，降低應力集中程度，減小端頭支架的工作阻力。

4）定向水力壓裂后巷道頂底板和兩幫位移量分降低45%和26%，表明其能降低煤柱應力集中程度，減少巷道圍巖變形，特別是對控制巷道底鼓效果明顯。