动压影响巷道水力压裂切顶卸压技术研究

李文龙

(晋煤集团晋圣公司，山西 晋城 048012)

为了减少巷道掘进率，通常将多巷准备的工作面的一条或者两条回采巷道保留下来为下一工作面采用[1，2]。在回采过程中工作面上隅角常出现顶板不能及时垮落，导致采空区后大面积方悬顶，侧向煤柱及所留回采巷道顶板应力集中[3-9]。切顶卸压是采用动力或静态作用力的方式对综采(放)工作面两侧回采巷道顶板进行预先弱化处理，使工作面回采之后采空区侧顶板及时垮落并充填采空区，避免因大面积悬顶或顶板垮落对相邻工作面回采巷道造成的动压影响[10]。国内外学者对切顶卸压开展了广泛探索，提出了一些常用的切顶方法，例如：深孔预裂爆破、静态膨胀破裂、水力压裂、气相相变压裂等[11-15]。水力压裂切顶卸压技术可有效压裂巷道煤柱侧的坚硬难垮顶板，消除或者转移支承压力，具有操作简单、安全、扩散范围广等优点，其技术经济效益明显[16]。本文提出采用定向水力压裂技术对护巷煤柱侧顶板进行切顶卸压处理，以解决动压巷道掘进过程中保留回采巷道维护困难问题。

1 工作面概况

山西长平煤业有限责任公司是山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司下属的大型矿井，矿井位于高平市西北17km处，主采3#煤层和15#煤层。地层综合柱状图如图1所示。Ⅲ4321综采工作面为大采高工作面，走向长703m，倾斜长195m，埋深452～563m，开采3#煤层，煤层厚度5.52m，平均倾角4°。Ⅲ4321综采工作面的西侧为尚未布置的Ⅲ4322综采工作面，工作面布置如图2所示。长平煤矿为高瓦斯矿井，为保证回采过程通风，在Ⅲ4321综采工作面回风侧设置两条巷道，即Ⅲ43211巷和Ⅲ43212巷，并在两巷之间的煤柱中布置回风联络巷。

图1 地层综合柱状图

图2 工作面布置及水力压裂钻孔布置

为缓解采掘衔接问题，减少巷道掘进量，准备将Ⅲ43212巷保留下来，以备Ⅲ4322综采工作面回采过程使用。然而，受Ⅲ4321工作面回采引起的超前支承压力和侧向应力的影响，巷道围岩处于高应力区，围岩变形严重，维护难度极大。因此，提出采用水力压裂技术切断巷道上方顶板，使其在Ⅲ4321工作面回采后快速旋转垮落，将巷道周围的高应力削弱或转移到远离巷道的煤岩体内部。

根据大采高综采工作面矿压控制理论[19]，结合Ⅲ4321综采工作面一次采全高采煤工艺的特点和煤岩层综合地质柱状图，计算出工作面顶板裂隙带高度达到了第2层老顶岩梁，即细粒砂岩及其上部岩层位于裂隙带，其下部岩层位于冒落带。因此，压裂钻孔垂深应达到第2层老顶岩梁以上，为保证切顶卸压效果，切顶卸压位置应尽可能更深。

2 动压巷道水力压裂切顶卸压模拟分析

2.1 模拟条件确定

采用二维平面应变模型，模拟研究巷道水力压裂切顶卸压规律，为现场工程应用提供指导。模型的几何尺寸为80m×60m，其中煤层厚度5.5m，顶板厚度47.5m，底板厚度7.0m，如图3所示。经初步设计，在Ⅲ43211巷煤柱侧布置1排压裂钻孔，钻孔布置在顶板距巷帮0.5～1m处，钻孔直径56mm，钻孔长度为40m，钻孔与巷道轴线方向夹角为15°，沿巷道轴向方向，仰角角度为70°，钻孔间距为10m。

图3 水力压裂切顶卸压的物理模型

模型左侧、底侧为滑动边界，上侧受覆岩重力12MPa，右侧受水平侧向压力10MPa，煤层顶板和底板对水而言为无渗透边界。有效应力系数取0.95，渗透率跳跃系数为9，水动力粘度为1.01×10-3Pa·s，煤岩体的弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度和均质度等力学参数见表1。

表1 煤岩体的物理力学参数

综合考虑到真实条件下的岩层力学强度和水泵加压能力，在水力压裂模拟过程中，最大注水压力设置在20～26MPa之间。在低水压条件下，煤岩不发生破裂，为减少计算工作量，将初始注水压力设为大于5MPa。由于覆岩层中砂质泥岩和中粒砂岩的力学强度低于细粒砂岩，在压裂点1和压裂点3位置的初始注水压力设为8MPa，增压速率0.4MPa/min，注水时间分别为30min(0～30min)和29min(52～80min)；而在压裂点2位置的初始水压设为15MPa，增压速率0.5MPa/min，注水时间21min(31～51min)。将以上参数和数学模型嵌入有限元软件，模拟水力压裂切顶卸压以及工作面回采全过程。

2.2 动压巷道水力压裂切顶卸压模拟结果分析

2.2.1 水力压裂过程中参数演化规律

煤岩层是一种非均质地质体，其弹性模量通常服从Weibull概率分布。动压巷道煤柱侧顶板水力压裂通过钻孔中预制横向切槽钻头形成约为钻孔直径两倍以上的切槽，即钻孔压裂点。在压裂点1位置进行水力压裂过程中，煤岩层的弹性模量分布如图4所示。在注水20min内，水压较低，覆岩层中裂隙基本不发育。可以看出，压裂点1在注水21min时，钻孔周围开始萌发裂隙，说明该岩层的起裂压力约为16.4MPa。随着注水时间增加，水力裂隙快速发育并沿着最大主应力方向扩展。在压裂第21分钟、24分钟、27分钟和30分钟时，裂隙扩展长度分别为1.2m、2.5m、4.1m和7.3m。

图4 钻孔压裂点1处水力压裂时煤岩层弹性模量分布

在压裂点2和压裂点3位置进行水力压裂，煤岩层弹性模量如图5所示。与压裂点1情况基本一致，水压较小时，压裂点2和3位置裂隙不发育，当水压达到起裂压力(22.5MPa和15.2MPa)时，裂隙迅速发育并扩展，直到压裂操作结束时停止扩展，此时注水压力达到最大，分别为25.5MPa和19.6MPa。需要指出，在压裂点3位置进行水力压裂过程中，在靠近压裂孔的巷道顶板与两帮相交处弹性模量降低，说明该处煤岩发生了破坏，这主要与水力压裂应力传递有关。

图5 钻孔压裂点2和3处水力压裂时煤岩层内弹性模量分布

高压水作用于压裂孔周围煤体，使其产生拉伸破坏，不同压裂时间的煤岩层内损伤场具有不同分布规律，如图6所示。煤层所受垂直应力较大，最大主应力方向与垂直主应力方向的夹角较小，处于钻孔压裂点(切槽)周围的岩体首先在最大主应力方向发生拉伸破裂。同时，破裂岩体的渗透率迅速升高，高压水迅速渗流入破裂岩体中，在有效应力作用下，高压水到达位置的前端完整岩体发生损伤破坏。随着压裂时间的增加，压裂损伤范围逐渐扩大。水力压裂产生的裂隙沿最大主应力方向扩展的速度较大，压裂损伤范围呈水平长条状分布。在图6中，高压水到达位置岩体产生破坏以拉伸破坏为主，而在靠近压裂孔的巷道顶板与两帮相交处煤岩破坏同时具有拉伸破坏和剪切破坏的特征。

图6 水力压裂过程中煤岩层内损伤场分布

不同压裂时刻煤岩层内垂直应力的分布情况如图7所示。由图7可以发现，压裂破坏的岩体内垂直应力快速降低，其承受的应力转移至周围岩体内，引起围岩应力升高。底板岩层为强度较低的泥岩，巷道底板和压裂损伤区的岩层处于拉伸应力状态，而其他区域以压应力分布为主，特别是右侧巷道顶板与顶板相交处出现了较高的压应力，这也证实了图6(d)中该处附近煤岩发生了剪切破坏。

图7 水力压裂过程中煤岩层内垂直应力分布

2.2.2 采动影响巷道采空侧顶板破断与卸压规律

在水力压裂的基础上，对Ⅲ4321工作面回采过程进行数值模拟，研究动压巷道采空侧顶板破断和卸压规律。数值模拟时，开挖掉物理模型中回采工作面区域的煤体，得到工作面回采后煤岩层内弹性模量分布，如图8所示。岩层破断面沿着水力压裂损伤区发育，受强烈矿压影响，回采工作面的覆岩层发生破断，弯曲下层，并在远离巷道煤壁位置充填采空区。顶板中细粒砂岩为坚硬岩层，破断后的细粒砂岩层形成了砌体梁[20]，砌体梁一端搭接在巷道煤壁上方，另一侧作用在已垮落的中粒砂岩上方，其结构较为稳定。

图8 工作面回采后煤岩层内弹性模量分布

Ⅲ4321工作面回采后，覆岩层内损伤区沿着水力压裂的裂缝扩展并贯通，覆岩层发生损伤破断，如图9所示。与压裂过程中损伤分布一致，位于压裂破坏区的岩层表现为拉伸损伤。工作面回采后，顶板岩层垮落、弯曲下沉，在采空区上方的破裂岩层以拉伸损伤为主，而在破断岩层的旋转轴位置，即连接压裂破坏区之间的岩层，表现为剪切破坏。顶板压力通过煤柱传递到煤柱下方底板泥岩，使底板泥岩发生破坏，出现了明显的剪切损伤带。在保留巷道的两帮以剪切损伤为主，而巷道顶底板表现为拉伸损伤。巷道两帮破坏深度在3～5m范围内，巷道顶板破坏深度在0.5m左右。

图9 工作面回采后煤岩层内损伤区分布

图10 工作面回采后煤岩层内垂直应力分布

Ⅲ4321工作面回采后，煤岩层内垂直应力分布发生了明显变化，如图10所示。垮落的覆岩层区域，应力明显降低，在巷道顶板上方较远处有一定的应力集中。巷道两帮由于损伤破坏，应力降低，该部分应力转移到了两帮更深处。相比未进行水力压裂措施工作面回采而言，压裂后覆岩层中压裂损伤区之间的岩桥受应力作用更易发生破断，原本作用于煤柱的高应力区，将转移到煤柱以外的远处位置。综合分析图9和图10，水力压裂切顶具有较好的卸压效果，改善工作面回采过程和回采后煤柱左侧巷道围岩应力环境，有利于巷道围岩变形控制。

3 水力压裂切顶卸压工程应用

3.1 试验机具与设备

水力压裂设备的关键装置包括切槽钻头、跨式膨胀型封隔器和高压水泵。采用KZ54型切槽钻头，在岩层中预制横向切槽，KZ54型切槽钻头外径为54mm，钻孔直径为56mm。具体指标如下：水力压裂钻孔直径56mm，切槽半径约为钻孔半径的2倍；能够在单轴抗压强度为50～150MPa的坚硬岩石中形成横向切槽；切槽尖端能够形成有效拉应力集中，集中程度用集中系数或应力强度因子来衡量。

跨式膨胀型封隔器能够保持较高的压力，并且能够选择钻孔目的段进行封孔，实现在同一钻孔中进行分段逐次压裂，达到弱化顶板岩层的目的。跨式膨胀型封隔器主要由受内压可膨胀的弹性膜、位于两端的钢套、中通钢管以及弹性膜膨胀介质通道组成。根据井下试验条件及试验要求，采用膨胀介质为水、由纤维加强的橡胶材料为弹性膜的跨式膨胀型封隔器进行压裂段封孔，如图11所示。

图11 跨式膨胀型封隔器封孔

水力压裂使用3ZSB80/62-90型高压水泵，高压水泵的主要部件包括三柱塞泵、安全阀、调压阀、压力表、电机、固定式底盘、随机工具等。

3.2 现场施工

在Ⅲ43211巷和Ⅲ43212巷部分联络巷内向Ⅲ4321工作面施工采空区定向高位钻孔。对于选取的试验区域，水力压裂施工会对联络巷打设的高位钻孔以及后期打设的中位钻孔造成影响。因此，为避免水力压裂对高位与中位钻孔抽放采空区瓦斯造成影响，在未施工高位钻孔与中位钻孔之前，进行水力压裂的打钻与压裂工作。

3.2.1 压裂钻孔打设及开槽

施工步骤：①钻孔钻进使用煤矿用全液压坑道钻机，钻头直径为56mm；②开槽处选择顶板完整段。预计开槽钻头快到钻孔尾部时，伸进速度放缓，当开槽钻头到达钻孔底部时进行开槽；③开槽过程中通过观察钻孔流出的水来判断开槽进程，完成开槽后撤出开槽钻头，换普通钻头继续钻进，钻进至下一开槽位置再进行开槽工序，如此循环，直至钻孔打设结束；④整个钻孔打设与开槽工作全部完毕后要用静压水冲洗；⑤在钻进过程中尽量降低钻进速度，减小钻机进给力，钻孔完成后要近似为一条直线，有利于封孔器的推入。

3.2.2 钻孔注水压裂

水力压裂过程需要封孔和高压水力压裂两套水路管线，从高压泵流出的高压水通过10mm直径的高压水管，进入储能器，然后通过三通阀，将高压水分流，其中一部分通过止压阀进入封孔器，另一部分高压水进入静压水管，用于压裂岩层。

施工步骤：①连接之前，确认管路是否畅通；②连接安装封孔器后，接静压水对封孔器进行排气、试压，查看封孔器是否漏水，保证运作正常；③通过树脂胶管(∅10mm)将连接好的手动泵和储能器与封孔器连接，连接处“O”型密封圈密封，连接采用快速连接方式；④“三通”必须连接截止阀；⑤开始打压手动泵之前，同时打开“三通”上的两个截止阀，让静压水进入储能器；⑥打压手动泵至10MPa，观察钻孔并监测压力表，检验封孔器能否保压，确保封孔器正常工作；⑦连接注水钢管将封孔器推送至预定位置，封孔、注水压裂采用倒退式压裂法，即从钻孔底部开槽处向外依次进行压裂；⑧给高压水泵先通水再通电，然后慢慢加压，同时记录水泵压力表以及手动泵压力表数据，继续加压直至预裂缝开裂，保压注水使裂纹继续扩展，压裂时间一般不少于20min，若巷道煤帮或钻孔中有水渗出或冒出，立即停止压裂，压裂结束；⑨压裂结束后，高压水泵先断电再停水，待高压泵回水阀出水完毕后，拆掉注水钢管上的直通，将残存在封孔器之间的水流出；⑩储能器上的“三通”截止阀均处于关闭状态，拆掉连接树脂胶管的截止阀后，打开截止阀将封孔器泄压。

3.3 应用效果分析

采集Ⅲ4321工作面回采过程生产数据，分析采动巷道水力压裂切顶卸压效果发现，在采取水力压裂切顶卸压措施之前的位置，靠煤壁侧悬顶一般达6～8m，最大时超过15m。在采区压裂措施之后，在Ⅲ4321工作面回采到压裂位置后，悬顶在2～3m，有效降低了煤柱承受的压力。

动压巷道水力压裂切顶卸压的围岩变形控制效果如图12所示。由图12(a)可知，未采取水力压裂措施时，在Ⅲ4321工作面的采动作用下，待保留Ⅲ43212巷的两帮最大移近量在回采30m后达到了2081mm，此时顶底板移近量为1532mm，可见动压影响巷道围岩变形大，围岩控制较困难。由图12(b)可知，在采区水力压裂措施后，Ⅲ43212巷的两帮最大移近量为833mm，顶底板移近量为562mm，分别降低了60.01%和63.32%。动压影响巷道的围岩变形大幅减小，证明水力压裂切顶卸压技术能够控制围岩的变形，保证巷道稳定，同时降低后期工程维修量。

图12 动压巷道水力压裂切顶卸压的围岩变形控制效果

4 结 论

1)以长平煤矿Ⅲ4321工作面为研究背景，构建了地质几何模型，模拟了Ⅲ43211巷内实施水力压裂切顶卸压技术全过程，分析了水力压裂和工作面回采中煤岩层的弹性模量、损伤场和应力场分布规律，明确了水力压裂切顶卸压的效果，为工程实践提供依据。

2)开展了动压巷道水力压裂切顶卸压现场应用，实践表明：在采取水力压裂措施后，待保留Ⅲ43212巷的两帮最大移近量和顶底板移近量分别减小了60.01%、63.32%，动压巷道围岩变形得到了有效控制。