馬蘭礦水力壓裂切頂卸壓技術應用研究

劉炳乾

（西山煤電集團有限責任公司建筑事業部，山西 太原 030053）

1 概述

煤炭資源作為我國重要的能源依仗，多年來其開采量一直位居世界前列。據統計在我國一次能源消耗中，煤炭資源的消耗量占比高達70%以上，可以看出煤炭資源對我國國民經濟的重要性。在煤炭資源開采過程中，眾多難題困擾著煤炭資源的開采，其中堅硬頂板問題是礦井面臨的重要難題，由于堅硬頂板的存在使得巷道圍巖變形量加劇，所以對于堅硬頂板進行治理對于我國煤礦開采十分重要[1-2]。目前針對堅硬頂板的治理方案均為切頂卸壓，切頂的措施可以為爆破切頂[3]、靜力切頂、水力切頂[4]，此前大多學者的研究主要集中在爆破切頂方向，對于水力切頂方案的研究較少，因此本文對水力壓裂切頂卸壓進行研究，利用現場試驗對水力切頂卸壓的可行性進行分析，為礦井堅硬頂板的治理提供一定的參考與借鑒。

2 礦井概況

馬蘭礦位于西山煤電西南，井田面積104.4km2，設計生產能力400×104t/a，18502位于該礦南五盤區，現主要開采山西組2#、3#煤層，主要構造形式為單斜延伸構造，煤層平均傾角4.7°左右。馬蘭礦18502工作面主采2#煤，2#煤層為黑色，條痕褐黑色，金剛光澤，中—寬條帶狀結構，斷口參差狀、階梯狀，內生裂隙發育，層狀構造。2#煤層普氏硬度為1.4，傾角0°～3°，煤層平均厚度為3.6m，巷道頂底板巖性如表1 所示。巷道支護材料選型如表2所示。

表1 巷道頂底板巖性表

表2 支護材料規格表

支護斷面形式如圖1所示。

圖1 巷道支護斷面圖

3 水力壓裂技術及應用分析

18502工作面回風巷頂板巖層較為堅硬，形成大面積的懸頂，巷道圍巖變形控制難度較大，為減小懸臂梁長度，削弱覆巖應力傳遞，利用水力壓裂對其進行切頂卸壓，工作面布置及水力壓裂位置如圖2所示。

圖2 工作面布置及水力壓裂位置圖

3.1 水力壓裂施工

水力壓裂切頂卸壓主要是通過水力能量的聚集對頂板進行預裂及弱化，使得頂板的尺寸有所降低，此時有效切斷頂板應力的傳遞，減小巷道圍巖的受力，同時切斷采動應力的傳遞，使采空區的頂板能夠按照設定情況進行及時垮落，從而有效限制巷道頂板覆巖的回轉下沉，降低由于頂板覆巖的旋轉下沉對巷道圍巖的影響，從而較好地緩解周期來壓等影響，降低應力集中的同時降低支護難度，保護巷道穩定性。

為了驗證水力壓裂切頂卸壓技術的可行性，在進風巷進行工業化驗證，設計水力壓裂段長度500m，分別對單、雙側孔兩種不同鉆孔方案壓裂進行研究，單側、雙側鉆孔施工段長度分別為300m 和200m。鉆孔壓裂參數如下所述：方案一，單側孔布置壓裂鉆孔，在進風巷采用單排鉆孔布置，巷道布設長度為300m。施工的順序如下：首先采用窺視儀監測頂板巖層穩定情況→給定壓裂參數→進行壓裂鉆孔施工→壓裂實施→壓裂效果監測。煤柱側鉆孔采用鉆機打孔，設計鉆孔直徑為56mm，鉆孔與巷道走向夾角為5°，鉆孔的長度為設定為41.1m，孔間距10m，每1.5m壓裂一次，壓裂過程監測頂板變化，出現異常停止施工。在進風巷采用雙側孔布置長度200m。施工順序與單側孔相同，鉆孔直徑設定為56mm，與巷道軸線方向成45°夾角，孔間距設定為10m，每2m壓裂一次[5-6]。

完成鉆孔布置后進行水力壓裂施工，水力壓裂施工可分為三個部分，分別為封孔、注入高壓水、持續注壓保水。水力壓裂示意圖如圖3所示。

圖3 水力壓裂示意圖

如圖3所示：1為靜壓水進水管路；2為高壓水泵；3為水泵壓力表；4 為流量計；5 為手動泵；6 為快速連接的高壓供水膠管；7 為手動泵壓力表；8 為水壓儀；9 為接頭；10 為注水鋼管；11 為高壓供水膠管；12 為儲能器；13 為封孔器；14 為壓裂鋼管；15 為預裂縫；16 為下封孔器注水管；17為水力壓裂鉆孔。

對井下正式施工鉆孔作業，完成全部鉆孔及壓裂作業共計劃分時間64d，其中不包括鉆機進場及壓裂前期準備時間。分別在1240～1040m 范圍內施工200m的單排孔，在1040～840m 的范圍內施工200m 的雙排孔200m，在840～740m 范圍內施工100m 單排孔。施工總長度為500m，為了在完全結束壓裂施工后，對壓裂效果進行研究，分別在工作面進風巷的單側孔段設置1#測站、在雙側孔段設置2#測站，在單排孔末端設置3#測站，共計布置3組測站。

壓裂現場采用單孔多次后退式壓裂，設定每隔2～3m進行一次壓裂，單個孔壓裂次數約為10～13次，當壓裂至距孔口13m的位置停止壓裂。具體的水力壓裂流程為連接封孔器→鉆孔接注水管→通高壓水泵→進行封孔加壓→注水壓裂→相鄰孔出水或注液30min 停泵→泄壓→開始第二段壓裂→循環壓裂[7-8]。

3.2 壓裂效果分析

對三個測站回采期間的巷道表面位移變形量進行分析，繪制巷道頂底板及兩幫位移量隨回采工作面距離變化曲線如圖4所示。

圖4 巷道圍巖變形曲線

從圖4 可以看出，在1#測站回采期內，此時巷道頂板的下沉量為52mm，巷道底板的底鼓量為144mm，巷道左幫移近量和右幫移近量分別為72mm、2mm，兩幫移近量為87mm，此時經過單排孔水力壓裂后進風巷圍巖的整體變形量偏小，同時由于巷道右幫為混凝土墻，所以變形量幾乎可以忽略，能夠滿足正?；夭尚枰?；觀察2#測站回采期間巷道圍巖的變形量可以看出，頂板下沉量為43mm，底鼓量為107mm，巷道兩幫的移近量為71mm，在進行雙排孔壓裂時，此時巷道圍巖變形程度比單排孔壓裂時更??；觀察3#測站回采期間巷道變形量，可以看出此時頂板下沉量為66mm，底鼓量為168mm，兩幫移近量為104mm，可以看出3#礦壓測站整體變形量仍然不大，雖然較1#和2#測站變形略有增加，但仍處于可控狀態，所以水力壓裂達到了預期的效果，方案可行[9-10]。

4 結論

基于馬蘭礦實際地質情況，對水力壓裂切頂卸壓技術進行研究，首先對切頂卸壓機理進行分析，給出了水力壓裂過程施工具體步驟，通過對鉆孔布置、試驗段等分析，設計了水力壓裂切頂卸壓具體的施工方案，同時為了對切頂卸壓效果進行分析，設定3個監測站，對巷道圍巖變形進行監測，通過對測站監測數據進行分析發現，巷道圍巖變形量均處于可控范圍內，水力壓裂切頂方案可行。