水力压裂技术在迎动压掘进巷道中的应用

刘少杰，马国伟

(山西西山晋兴能源有限责任公司 斜沟煤矿， 山西 吕梁 033602)

定向水力压裂技术是波兰开发的用于煤矿坚硬顶板控制及冲击地压防治的方法。我国最早使用该技术的是大同矿区，虽然取得的一定的效果，但由于钻头、切缝工具等存在较大问题，使得这项技术没有得到大面积推广[1-2]. 相对于爆破控顶技术，水力压裂技术安全、成本低。近年来，定向水力压裂技术的快速发展使其在煤矿得到了大规模的推广和应用[3-5]，主要应用于工作面初次放顶和冲击地压防治等，在解决工作面回采时超前集中应力影响方面的应用较少。为解决斜沟煤矿采掘交锋时，矿压显现强烈问题，在该矿18104工作面顶板实施了水力压裂预裂顶板技术。

1 工程地质概况

18104工作面煤层平均厚度5.19 m，直接顶为泥岩，平均厚度1.45 m，基本顶为砂岩，平均厚度11.07 m，煤层平均倾角为8.8°. 18106工作面和18104工作面相邻，煤柱留设宽度为20 m. 当迎采巷道18106皮带巷与18104回采工作面相遇时，迎采巷道受到两次剧烈扰动，第一次为超前支承压力的影响，第二次为采空区顶板弯曲下沉活动的影响。采掘交锋后顶板的二次扰动，是造成巷道大变形的根本原因[6]. 因此，对顶板进行水力预裂，使悬跨的顶板及时垮落，以减少采动影响。

2 水力压裂预裂顶板设计

2.1 RFPA2D-Flow数值模拟

水力压裂切顶卸压的原理是在指定岩层中施工钻孔，然后在钻孔中安装高压封隔器。当高压泵启动时，高压水会通过管路进入该封隔器，首先促使封隔器两端的胶囊膨胀，两端封堵钻孔。当压力逐渐升高至10 MPa时，封隔器中间段的压力单向阀会自动开启，高压水通过阀眼进入钻孔。水压力逐渐升高至岩层的极限强度时，孔壁开裂，破坏其完整性，弱化其力学性能，降低矿压显现。为研究双孔水力压裂煤体的增透范围，利用RFPA2D-Flow软件分别对孔间距L=7 m、10 m和15 m进行数值模拟分析，为现场水力压裂方案设计提供依据。其中，施加压力40 MPa，注入排量3 m3/min，压裂时间30 min. 水力压裂模型见图1.

图1 水力压裂布控位置示意图

模拟得出不同孔间距下煤体双孔水力压裂剪应力分布和声发射特征，见图2. 从图2可以看出，随着孔间距L的增大，孔间煤体的应力叠加作用和裂隙发育程度逐渐减弱，破裂难度增大。当L=7 m时，孔间煤体完全被破坏，裂隙发育程度和连通率最好，煤体得到充分卸压，孔间声发射分布非常密集，无任何空白区，增透性最好。当L=10 m时，孔间煤体基本被破坏，孔间声发射分布比较密集，基本上未出现空白区，但存在局部应力集中带，增透性较好。当L=15 m时，孔间煤体未被充分破坏，大部分区域裂隙未贯通，有较大区域应力集中带，孔间声发射未出现叠加现象，且存在大量空白区，增透性最差。

图2 煤体破坏过程的应力演化及声发射特征图

综上所述，可以确定18104工作面双孔水力压裂钻孔卸压增透半径为7 m左右。

2.2 水力压裂方案设计

为了减小18106掘进巷道迎18104回采动压的影响，需要对18104材料巷顶板进行水力预裂，破坏其完整性，弱化其力学性能，促使其断裂卸压。水力压裂预裂顶板示意图见图3.

图3 水力压裂预裂顶板示意图

基于斜沟煤矿近几年深孔爆破切顶卸压技术实施经验，通过数值模拟机理分析，确立该次方案：在18104材料巷内向上施工钻孔，贴煤柱帮施工，开孔位置距帮300～500 mm，深度12 m，钻孔间距7 m. 钻孔施工贯穿坚硬顶板，长度为12 m，钻孔d42 mm，采用配套小孔径封隔器进行分段压裂，12 m厚的基本顶分为5段压裂。为充分压裂，增大压裂的破坏面积，促使裂缝的贯通程度增加，钻孔采用单排布置。

3 井下工况试验

以现场5#钻孔实际水力压裂过程为例，对5#孔实施了5段压裂，压裂情况见表1. 对5#钻孔采用数字全景钻孔窥视仪窥视，窥视图见图4，水力压裂后2.10～2.66 m出现较为明显的裂隙带；导通裂隙主要在4～4.7 m、6～8.7 m、10～11 m发育，裂隙宽度为1～4 mm. 通过实施高压注水的方式，钻孔内岩体受到高压注水压力作用，岩层浅处沿弱结构面形成破碎带，岩层深部沿弱节理结构形成裂隙带。

表1 5#钻孔水力压裂情况表

图4 钻孔窥视图

4 效益分析

水力压裂切顶卸压技术和深孔预裂爆破切顶卸压技术相比有以下优势：

1) 成本低。该技术单孔成本耗材费用仅为104元，和深孔爆破预裂技术成本耗材费用相比，节约了2/3，延米计算成本仅为1/8.

2) 工艺简单，省时省力。水力压裂切顶卸压每7～10 m施工1个钻孔，深孔爆破预裂切顶卸压每0.8 m施工1个钻孔，有效降低了预裂顶板钻孔打设个数，单孔控制范围大，并且不干扰工作面正常生产及周边工程正常施工，提高了工作效率。

3) 切缝效果更加明显。根据两种技术方案窥视影像，可明显看出水力压裂切缝更加清晰完整，孔壁开裂效果好，水压裂缝沿着竖向扩展延伸，切断厚硬的中粗粒砂岩层，促使其及时断裂垮落。同时，18106掘进巷道围岩稳定周期由7～16天缩短至一周以内，达到预期效果。

5 结 论

水力压裂切顶卸压技术在斜沟煤矿的使用表明，相邻预裂孔裂隙发育、导通明显，顶板淋水强烈；材料巷端头采空区基本顶及时垮落，有效解决了端头基本顶悬顶问题，在降低成本，提高作业安全系数的同时减轻了工人劳动强度，提高了工作效率，为斜沟煤矿减人提效创造了有利条件，为建设安全高效的智能化示范矿井奠定了基础。