張俊虎，劉愛卿，張 強(qiáng)

(1.華晉焦煤有限責(zé)任公司，山西 呂梁 033399；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；3.天地科技股份有限公司，北京 100013)

目前我國大部分煤礦工作面搬家倒面采用現(xiàn)掘回撤通道方式[1]，然而在工作面收尾過程中，臨近采區(qū)大巷在高支承壓力作用下易產(chǎn)生明顯變形，一般狀況下大巷需要經(jīng)過多次維護(hù)才能滿足使用條件，不僅耗費(fèi)大量的人力物力，而且會(huì)影響整座礦井的安全高效生產(chǎn)。為了保護(hù)采區(qū)大巷，一般采取終采線留設(shè)寬煤柱，很多礦井煤柱寬度可達(dá)80～120 m，浪費(fèi)了大量煤炭資源，即使這樣很多情況下仍未能解決大巷變形嚴(yán)重的問題，為此，國內(nèi)外學(xué)者一般采用常規(guī)水力壓裂或深孔爆破卸壓方式進(jìn)行卸壓護(hù)巷?？导t普等研究了定向水力壓裂技術(shù)在堅(jiān)硬頂板卸壓中的應(yīng)用[2]；黃炳香等研究了水力壓裂在工作面初放、沿空留巷、末采等多個(gè)方面的應(yīng)用[3]；張書軍等研究了深孔爆破在沿空掘巷切頂卸壓方面中的應(yīng)用[4]；吳擁政等研究了水力壓裂在煤柱留巷切頂卸壓方面的應(yīng)用[5]，但采用常規(guī)卸壓方式，壓裂的層位一般在10～30 m，范圍小、層位低，需要密集布置鉆孔，且需要在回撤通道形成后施工或者提前掘進(jìn)專門卸壓巷道，占用回撤時(shí)間，影響工作面回撤設(shè)備，且效果得不到保障[6-15]。

沙曲一號(hào)煤礦目前留設(shè)煤柱已達(dá)到100 m，一采區(qū)和三采區(qū)工作面回采期間及收尾后，大巷變形嚴(yán)重，出現(xiàn)底鼓、頂板破碎下沉和兩幫鼓出，需要經(jīng)過多次維護(hù)才能滿足使用，單純提高支護(hù)強(qiáng)度無法徹底解決，嚴(yán)重影響采區(qū)運(yùn)輸。為了改變傳統(tǒng)卸壓方式在卸壓范圍、卸壓時(shí)間、卸壓效果等方面存在的不足，提出利用定向水平鉆孔水力壓裂技術(shù)進(jìn)行卸壓，在井下鉆場(chǎng)中采用定向鉆機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離鉆進(jìn)，不需要開掘?qū)ｉT卸壓巷，利用大流量泵進(jìn)行壓裂卸壓，轉(zhuǎn)移高應(yīng)力，避免大巷出現(xiàn)多次維護(hù)。

1 礦井概況

沙曲一號(hào)煤礦4502工作面位于4#煤層五采區(qū)，最大蓋山厚度460 m，傾斜長度220 m，4#煤層具有突出危險(xiǎn)性，平均厚度4.8 m，頂板垂直向上50 m范圍內(nèi)，存在多層厚砂巖，從煤層頂板依次向上包括細(xì)砂巖5.36 m、粉砂巖3.3 m、粗砂巖1.3 m、中砂巖9.2 m、細(xì)砂巖10.7 m、泥巖6.5 m、中砂巖12.7 m等。五采區(qū)軌道大巷距離4502工作面終采線距離為100 m。

2 大巷高應(yīng)力原因及卸壓機(jī)理分析

2.1 大巷高應(yīng)力分析

沙曲一礦4502工作面上部存在多層穩(wěn)定的砂巖結(jié)構(gòu)，中間基本無軟弱夾層，頂板巖層除偽頂外，其他巖層穩(wěn)定性高，工作面回采期間超前支承壓力傳遞距離遠(yuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在超前工作面130 m工作面超前段巷道底鼓量急劇增加，當(dāng)工作面回采至終采線附近停采后，工作面設(shè)備通過現(xiàn)掘回撤通道搬走后，終采線上覆頂板穩(wěn)定巖層難以充分垮落，大面積懸頂形成的超前支承壓力作用在護(hù)巷煤柱上，導(dǎo)致大巷礦壓顯現(xiàn)，需要進(jìn)行大面積的維護(hù)才能夠滿足使用，影響整個(gè)采區(qū)的運(yùn)輸。

工作面末采期頂板的斷裂、旋轉(zhuǎn)、運(yùn)移、垮落等劇烈活動(dòng)是造成采區(qū)大巷圍巖應(yīng)力集聚的主要原因，當(dāng)回采工面推進(jìn)至終采線回撤設(shè)備后，工作面停止向前推進(jìn)，如果頂板堅(jiān)硬穩(wěn)定，則上覆頂板巖層不易垮落，呈現(xiàn)懸頂狀態(tài)，老頂?shù)拈L期懸頂會(huì)持續(xù)作用在護(hù)巷煤柱上，導(dǎo)致煤柱應(yīng)力集中。

目前采區(qū)大巷主要采用預(yù)留寬煤柱、采用密集錨索等大幅度提高支護(hù)強(qiáng)度的方式進(jìn)行控制，取得了一定的效果，但很多情況下即便采用了強(qiáng)力支護(hù)，大巷在工作面搬家后仍變形嚴(yán)重。究其原因是高采動(dòng)應(yīng)力反復(fù)疊加所致，簡單的強(qiáng)力支護(hù)“硬抗”往往是治標(biāo)不治本，不能從根本上解決上述問題。因此轉(zhuǎn)移工作面回采形成的高應(yīng)力成為關(guān)鍵。

2.2 水力壓裂卸壓作用分析

為了降低工作面末采超前支承壓力對(duì)于大巷的影響，需要改變產(chǎn)生高支承應(yīng)力的頂板結(jié)構(gòu)，同時(shí)為了改變傳統(tǒng)卸壓方式在卸壓時(shí)間、卸壓范圍上的不足，引入定向長鉆孔區(qū)域壓裂技術(shù)，該技術(shù)作為水力壓裂的一種方式，通過定向鉆機(jī)在頂板巖層中施工水平鉆孔，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域壓裂對(duì)于工作面超前支承壓力的轉(zhuǎn)移作用。

4502工作面采用定向長水平鉆孔超前壓裂卸壓護(hù)巷的作用體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：①工作面推進(jìn)至設(shè)計(jì)終采線以前，在高位頂板布置兩個(gè)水平鉆孔實(shí)施壓裂，壓裂最大高度50 m可覆蓋煤層覆巖裂隙帶下部，壓裂施工可超前切斷高位巖層，很大程度消除工作面停采后頂板破斷而產(chǎn)生的動(dòng)壓能量，降低煤柱上方不穩(wěn)定支承應(yīng)力對(duì)軌道大巷的影響；②在工作面終采線4#煤頂板上方15 m布置一個(gè)高位定向鉆孔進(jìn)行壓裂卸壓，使垮落帶巖層及時(shí)破斷冒落充填采空區(qū)，主動(dòng)減小基本頂巖層懸頂、降低應(yīng)力集中程度，如圖1所示。

圖1 區(qū)域壓裂應(yīng)力轉(zhuǎn)移作用

在常規(guī)穿層孔水力壓裂過程中，鉆孔角度不同，壓裂層位位置會(huì)產(chǎn)生顯著差異，對(duì)壓裂效果產(chǎn)生影響；而對(duì)于定向長水平鉆孔壓裂，其為順層鉆孔，主要考慮壓裂層位對(duì)于壓裂效果的影響，定向長水平鉆孔對(duì)于頂板處理的層位高度不同，頂板的局部結(jié)構(gòu)受到的影響也不同，為此模擬分析了工作面采區(qū)大巷間煤柱寬度為100 m時(shí)，在靠近工作面終采線上部實(shí)施水力壓裂，水力壓裂對(duì)上部巖層呈現(xiàn)局部弱化的作用，由于該模擬并不分析水力壓裂裂紋擴(kuò)展規(guī)律，而是主要分析水力壓裂后對(duì)圍巖的弱化作用而影響大結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，為此設(shè)立了局部弱化區(qū)域大小為30 m×15 m、30 m×30 m和30 m×45 m，簡稱壓裂層位高度為15 m、30 m和50 m，分析大巷保護(hù)煤柱應(yīng)力分布情況。

當(dāng)工作面回采距離采區(qū)大巷為100 m時(shí)不同壓裂層位高度圍巖應(yīng)力分布如圖2所示。由圖2可以看出：①水力壓裂區(qū)域弱化后，工作面靠近壓裂位置圍巖應(yīng)力形態(tài)具有明顯的差異性，隨著壓裂層位高度的增加，水力壓裂弱化區(qū)域?qū)τ诟邞?yīng)力的阻隔范圍越大；②采用水力壓裂對(duì)終采線上部的頂板巖層進(jìn)行弱化后，煤柱內(nèi)的應(yīng)力峰值降低明顯，而且處理的整體層位越高，在圍巖中形成的應(yīng)力峰值越低，但是當(dāng)水力壓裂處理到一定高度的層位后，再增加水力壓裂處理層位高度對(duì)于應(yīng)力的降低作用不明顯。

圖2 不同壓裂層位高度時(shí)圍巖應(yīng)力分布情況(kPa)

當(dāng)壓裂層位高度為15 m、30 m和50 m時(shí)保護(hù)煤柱內(nèi)部應(yīng)力曲線如圖3所示。由圖3可以看出：在終采線上部，隨著水力壓裂處理層位高度的增加，大巷保護(hù)煤柱靠近終采線側(cè)煤柱應(yīng)力呈逐漸降低的態(tài)勢(shì)，無水力壓裂、壓裂層位高度為15 m、30 m和50 m時(shí)，終采線側(cè)大巷煤柱應(yīng)力峰值為152.2 kPa、86.42 kPa、74.95 kPa和68.46 kPa。壓裂層位高度為50 m時(shí)煤柱應(yīng)力峰值較無壓裂降低55%，降低明顯。

圖3 不同壓裂層位高度時(shí)保護(hù)煤柱應(yīng)力曲線

由此可見，工作面上覆堅(jiān)硬難垮頂板，一方面在工作面回采期間，工作面超前支承壓力顯現(xiàn)明顯，傳遞距離遠(yuǎn)，沙曲一礦超前支承壓力影響范圍超過100 m；另一方面當(dāng)工作面停采回撤設(shè)備后，終采線上覆頂板難以充分垮落，形成懸臂結(jié)構(gòu)，長期作用在護(hù)巷煤柱上，導(dǎo)致煤柱礦壓顯現(xiàn)。為此處理的關(guān)鍵在于將上覆堅(jiān)硬穩(wěn)定巖層進(jìn)行弱化處理，改變或降低工作面末采及停采后超前支承壓力，進(jìn)而降低大巷的維護(hù)難度。

3 定向長水平鉆孔水力壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)4502工作面上部砂巖分布情況，結(jié)合長鉆孔區(qū)域壓裂卸壓機(jī)理，水力壓裂處理的關(guān)鍵一方面在于消除工作面停采后頂板破斷而產(chǎn)生的動(dòng)壓能量，另一方面在于使得垮落帶巖層及時(shí)破斷冒落充填采空區(qū)，根據(jù)沙曲一號(hào)煤礦工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，垮落帶高度一般為3倍采高。由于4502和4503工作面終采線位置平行，為此在終采線上部布置三組鉆孔，分別為H1、H2和H3孔，如圖4所示，單孔長度達(dá)到500 m，一次性穿越兩個(gè)工作終采線，解決兩個(gè)工作面回采礦壓顯現(xiàn)問題，H1孔水平段距4#煤層頂板垂直高度15 m，位于4502工作面終采線正上方，主要處理垮落帶巖層，使其充分垮落；H2孔水平段距4#煤層頂板垂直高度25 m，位于終采線以里5 m；H3孔水平段距4#煤層頂板垂直高度50 m，位于終采線以里10 m，H2孔和H3孔主要處理裂隙帶巖層，三個(gè)鉆孔水平段在水平方向的投影間距為5 m。

圖4 鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

鉆機(jī)采用ZDY-12000LD定向鉆機(jī)，鉆孔直徑120 mm，孔口下套管長度為18 m，壓裂泵流量達(dá)0.63 m3/min，采用后退式分段時(shí)壓裂，壓裂分段長度15 m。壓裂工程施工包括送封隔器、滑套工具、孔口法蘭安裝、多級(jí)封隔器座封、分段壓裂注水、壓力和流量監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控、壓裂區(qū)巡查、封隔器解封提工具串等，具體施工流程為：固定鉆機(jī) → 連接壓裂工具串→開動(dòng)壓裂泵→管路測(cè)壓→封隔壓裂→穩(wěn)壓注水→停泵放水與檢測(cè)→ 退管柱→ 下分段壓裂作業(yè)。

采用水壓儀對(duì)水力壓裂的壓力進(jìn)行了全程監(jiān)測(cè)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，壓裂順序?yàn)?#孔、1#孔和2#孔。1#孔共計(jì)壓裂13次，1#孔前6次的壓裂曲線如圖5所示，起裂壓力最大可以22.5 MPa，裂紋擴(kuò)展保壓階段壓力一般維持在10～21.5 MPa之間。

圖5 1#孔前6次壓裂曲線

4 效果監(jiān)測(cè)

在大巷中設(shè)置了十字圍巖位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)4502工作面整個(gè)回采過程中大巷變形情況，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，工作面末采及收尾后，臨近的五采區(qū)軌道大巷頂板、底板、左幫和右?guī)妥冃瘟烤∮?5 mm，大巷保持了良好的穩(wěn)定性，而相鄰的二采區(qū)、三采區(qū)留設(shè)同樣寬度護(hù)巷煤柱的大巷，在工作面回采過程中及收尾后大巷發(fā)生了大變形，底鼓量超過了1000 mm，給礦井正常運(yùn)輸產(chǎn)生嚴(yán)重影響，五采區(qū)大巷利用定向水平鉆孔水力壓裂技術(shù)卸壓后，大巷保持了良好的穩(wěn)定性，取得了良好效果，為后期煤柱優(yōu)化奠定了良好基礎(chǔ)。

5 結(jié) 論

1)工作面末采期頂板的斷裂、旋轉(zhuǎn)、運(yùn)移、垮落等劇烈活動(dòng)是造成采區(qū)大巷圍巖應(yīng)力集聚的主要原因，工作面終采線上覆堅(jiān)硬穩(wěn)定頂板在工作面設(shè)備回撤后難以充分垮落，大面積懸頂形成的超前支承壓力作用在護(hù)巷煤柱上，導(dǎo)致大巷礦壓顯現(xiàn)。

2)工作面終采線實(shí)施定向水平鉆孔水力壓裂能夠消除工作面停采后頂板破斷而產(chǎn)生的動(dòng)壓能量，同時(shí)能夠使垮落帶巖層及時(shí)破斷冒落充填采空區(qū)，降低護(hù)巷煤柱應(yīng)力。

3)工作面終采線實(shí)施定向水平鉆孔水力壓裂，在工作面回采過程中提前施工，與工作面平行作業(yè)，壓裂泵流量大，卸壓范圍廣，實(shí)施后大巷保持了良好的穩(wěn)定性，效果顯著，為后期煤柱優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。