煤柱留巷水力压裂参数对卸压效果的影响

张镇

(1.中煤科工开采研究院有限公司， 北京 100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部， 北京 100013；3.中国煤炭科工集团有限公司， 北京 100013；4.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室， 北京 100013)

0 引言

煤柱留巷要经受相邻工作面和本工作面二次采动影响，强烈动压影响下煤柱留巷变形控制是一大难题。随着高预应力、高强度锚杆支护技术的应用[1-2]，极大程度上提高了煤柱留巷的支护强度[3-6]，但单纯采用支护法难以有效控制复杂巷道围岩变形，还需要同时对巷道围岩进行卸压以降低动压影响。水力压裂卸压技术通过切断临空巷道上部悬顶，在巷道周边形成弱化带，从而实现过高动载转移，达到减小围岩变形与破坏的效果[7-8]，该技术以安全性高、弱化范围大等优势得到广泛应用。康红普等[9-10]分析了煤矿井下定向水力压裂弱化围岩的机理，开发了煤矿井下小孔径水力压裂技术与装备，并在多个矿区进行了推广应用。黄炳香等[11-13]通过真三轴水力压裂试验研究了围岩主应力差、排量、层面与原生裂隙对水压裂缝扩展的影响规律，提出了坚硬顶板水力压裂定向裂纹控制技术，解决了坚硬顶板的弱化问题。吴拥政等[14]通过煤矿砂岩真三轴定向水力压裂试验分析了压裂裂纹的扩展规律，并引入了定向偏转距概念(预制切槽处裂缝沿其方向定向扩展不发生偏转的距离)来表征定向压裂效果，分析了水平应力差对定向偏转距的影响。冯彦军等[15-17]分析了不同地应力大小、方向和类型条件下水力压裂裂纹的起裂与扩展规律。徐成等[18]研究了压裂注水泵流量对纵向切槽水力压裂裂缝偏转的影响规律。前人对水力压裂卸压机理、裂纹扩展与控制和相应装备工艺进行了大量研究，但有关水力压裂参数对卸压效果影响的研究较少。本文采用数值模拟及现场试验的方法，分析了水力压裂钻孔压裂次数、压裂位置对卸压效果的影响，为水力压裂卸压技术的应用提供参考依据。

1 研究背景

山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司长平煤矿4312工作面埋深为420 m，倾斜长度为220 m。该工作面采用三巷布置方式，如图1所示。43121进风巷、43123进风巷为一次使用巷道；43122回风巷为煤柱留巷巷道，煤柱宽度为45 m；43121进风巷与43122回风巷均为矩形巷道(宽5.0 m、高3.9 m)，沿煤层顶板布置，采用高强锚网索联合支护形式。4312工作面回采结束后，43122回风巷需继续为4310工作面服务。

图1 工作面巷道布置Fig.1 Roadway layout of working face

工作面煤层平均厚度为5.52 m，平均单轴抗压强度为14.57 MPa；直接顶为泥岩，平均厚度为3.82 m，平均单轴抗压强度为21.93 MPa；基本顶为中粒砂岩，平均厚度为10.64 m，平均单轴抗压强度为34.42 MPa。基本顶厚度大、完整性好，工作面回采后基本顶不易垮落，容易在采空区煤柱侧形成大面积悬顶，对煤柱产生较大动载影响，致使煤柱应力升高，煤柱留巷出现大变形。

2 数值模拟

2.1 模型建立

采用平面离散元UDEC软件建立二维数值模拟模型，如图2所示。模型尺寸为600 m×440.5 m(长×高)，模型底边固定水平和垂直位移，侧边固定水平位移，顶部为地表。水力压裂裂缝垂直于钻孔轴线并向两侧延展，裂缝长度为10 m，沿水力压裂钻孔对称分布。

图2 数值模拟模型Fig.2 Numerical simulation model

岩层参数见表1。水力压裂裂缝参数：法向刚度为30 GPa/m；剪切刚度为12 GPa/m；内摩擦角为20°，黏聚力和抗拉强度均为0。

表1 岩层参数Table 1 Rock strata parameters

2.2 压裂次数对卸压效果的影响

对于厚硬煤层顶板，为充分破坏顶板的完整性，可在同一压裂钻孔内实施分段多次压裂，如图3所示。压裂分段长度D即相邻压裂段的间隔长度，用来表征压裂次数。压裂分段长度长，表明压裂次数少；压裂分段长度短，表明压裂次数多。压裂次数太少则弱化不充分，难以达到较好的卸压效果；压裂次数过多会增加施工工作量，还可能出现压裂裂缝互相串通造成的压裂裂纹扩散不良。结合工程经验，模拟选用的压裂分段长度分别为2，4，8 m。

图3 钻孔分段压裂Fig.3 Staged fracturing of borehole

4312回采工作面向压裂钻孔方向推进过程中，不同压裂分段长度下压裂区围岩支承应力变化如图4所示。当压裂钻孔位于回采工作面前方时，距工作面距离为正；当压裂钻孔位于回采工作面后方时，距工作面距离为负。

从图4可看出，压裂区围岩支承应力在回采工作面前方50～60 m时达到峰值，随着回采工作面继续向前推进，压裂区围岩支承应力平稳下降，回采工作面推进至压裂钻孔位置时，压裂区围岩支承应力迅速下降；当压裂分段长度分别为2，4 m时，压裂区围岩支承应力峰值均较无压裂时稍有降低，降低幅度分别为3.02%和1.20%；当压裂分段长度为8 m时，压裂区围岩支承应力峰值较无压裂时稍有升高，升高幅度为1.85%。当压裂分段长度较小时，相应压裂次数较多，在围岩中产生的裂隙较多；当压裂分段长度较大时，相应压裂次数较少，在围岩中造成的裂隙互不贯通，由此形成的裂隙围岩可能形成某种结构，导致压裂区围岩支承应力比无压裂时略有增加。因此，为提高水力压裂弱化顶板的效果，压裂分段长度不宜过大，以不超过4 m为宜。

图4 不同压裂分段长度下压裂区围岩支承应力变化曲线Fig.4 Variation curves of abutment stress of surrounding rock in fractured zone under different fracturing segment lengths

2.3 压裂钻孔位置对卸压效果的影响

煤柱留巷水力压裂卸压作业一般在回采巷道进行，可选压裂钻孔位置为上区段工作面采空区侧、煤柱上方和下区段工作面煤柱侧，如图5所示。

图5 压裂钻孔位置Fig.5 Fracturing borehole locations

设置压裂分段长度为2 m。上区段工作面回采后，不同压裂钻孔位置下煤柱应力变化如图6所示。距上区段工作面采空区距离为0～45 m处为煤柱、45～50 m处为43122回风巷；远离上区段工作面采空区方向为正，反之为负。

图6 不同压裂钻孔位置下煤柱应力变化曲线Fig.6 Variation curves of coal pillar stress under different fracturing borehole locations

从图6可看出，压裂钻孔位于下区段工作面煤柱侧时，压裂后煤柱应力较无压裂时升高，升高幅度最大为4.1%；压裂钻孔位于上区段工作面采空区侧和煤柱上方时，压裂后煤柱应力较无压裂时均有所降低，其中压裂钻孔位于上区段工作面采空区侧时煤柱应力降低幅度最大，达14.6%。

3 现场试验

3.1 水力压裂卸压方案

水力压裂卸压作业地点选择在上区段4312工作面采空区侧43121进风巷，水力压裂卸压试验段长度为320 m。压裂钻孔布置在巷道顶板，采用深浅双排孔布置方式，如图7所示。深孔距煤柱帮1 m，孔径为56 mm，孔深为60 m，钻孔轴向水平投影与巷道走向夹角为5°，钻孔倾角为70°；浅孔开孔在巷道顶角煤柱帮向顶板内施工，孔径为56 mm，孔深为16 m，钻孔轴向水平投影与巷道走向垂直，钻孔倾角为70°。深孔间距、浅孔间距均为10 m，深孔与浅孔交错布置，交错距离为5 m。

采用3ZSB80/62-90型煤矿专用高压注水泵，额定注水压力为62 MPa，压裂分段长度为2～3 m，根据现场条件适当调节，每段压裂30 min。水力压裂施工工艺流程参考文献[4]，本文不再赘述。

3.2 卸压效果

在煤柱留巷43122回风巷压裂试验段和非压裂试验段分别布置巷道表面位移测站，对4312工作面煤柱留巷顶底板移近量和两帮移近量进行监测，结果如图8所示。当测站超前工作面时，距工作面距离为正；当测站滞后工作面时，距工作面距离为负。

(a) 平面

(b) A-A剖面

(c) B-B剖面

(a) 非压裂试验段

(b) 压裂试验段

从图8可看出，非压裂试验段与压裂试验段巷道表面变形均以两帮移近为主，且工作面后方巷道变形急剧增加；非压裂试验段巷道变形在工作面后方300 m处趋于稳定，顶底板移近量为348 mm，两帮移近量为505 mm；压裂试验段巷道变形在工作面后方200 m处趋于稳定，顶底板移近量为127 mm，两帮移近量为275 mm；与非压裂试验段巷道相比，压裂试验段巷道变形稳定期缩短33.3%，顶底板移近量减少63.5%，两帮移近量减少45.5%。

4 结论

(1) 压裂分段长度越大，相应压裂次数越少，对顶板的弱化效果越差，压裂分段长度以不超过4 m为宜。

(2) 压裂钻孔位于下区段工作面煤柱侧时，会引起煤柱应力升高，不利于煤柱留巷的围岩变形控制；压裂钻孔位于上区段工作面采空区侧和煤柱上方时，均能实现煤柱应力降低，有利于煤柱留巷的围岩变形控制，其中压裂钻孔位于上区段工作面采空区侧时煤柱应力降低幅度可达14.6%，卸压效果最明显。

(3) 现场试验结果表明，采用水力压裂卸压后，煤柱留巷围岩变形稳定期较未压裂时缩短33.3%，煤柱留巷顶底板移近量和两帮移近量较未压裂时分别降低63.5%和45.5%，煤柱留巷围岩变形量显著减小。