布尔台矿水力压裂对矿压显现影响分析_任永强.pdf

第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 布尔台矿水力压裂对矿压显现影响分析 任永强， 牛同会 （神东煤炭集团有限责任公司 布尔台煤矿， 内蒙古 鄂尔多斯 017209） 摘要 针对布尔台煤矿 42106 综放工作面回采期间发生多次动力灾害显现， 为了分析水力压 裂对强矿压显现的影响， 采用了现场实测及理论分析方法， 依据水力压裂卸压机理及矿压岩层 控制理论， 对该工作面回风巷上覆岩层实施水力压裂卸压。结合现场监测矿压显现变化情况对 卸压机理及效果进行深入分析， 其结果揭示了在强动压影响下的巷道顶板岩层中采取水力压裂 可有效减弱顶板岩层中赋存的高应力， 释放顶板储存的弹性能； 弱化基本顶， 避免采空区后方悬 顶， 降低超前支撑压力的影响； 减小相邻采空区侧对工作面回采巷道的影响， 有效缓解巷道围岩 变形。 关键词 水力压裂； 矿压显现； 岩层控制； 卸压； 动压影响 中图分类号 TD323文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 03-0184-04 Influence of Hydraulic Fracturing on Strata Behavior in Buertai Coal Mine REN Yongqiang, NIU Tonghui （Buertai Coal Mine, China Shenhua Shendong Coal Group Co., Ltd., Ordos 017209, China） Abstract In view of the multiple occurrences of dynamic disasters during the stoping of 42106 fully mechanized caving face in Buertai Coal Mine, in order to analyze the influence of hydraulic fracturing on strong pressure development, field measurement and theoretical analysis s were adopted. Based on the mechanism of hydraulic fracturing and the theory of pressure control, the overburden strata in the return roadway of the working face were hydraulic fracturing and pressure relief. The mechanism and effect of pressure relief are analyzed in combination with the changes in the field monitoring of mine pressure. The results reveal that hydraulic fracturing under the influence of strong dynamic pressure can effectively weaken the high stress in roof strata and release the elastic energy stored in roof strata. Weaken the basic roof, avoid the rear hanging roof of goaf, and reduce the influence of leading support pressure; the influence of adjacent goaf on mining roadway of working face is reduced and surrounding rock deation of roadway is alleviated effectively. Key words hydraulic fracturing; mine pressure behavior; rock strata control; pressure relief; dynamic pressure effect 近年来， 随着煤矿开采强度的逐渐加大， 开采条 件愈发复杂，复杂高应力作用导致矿压显现也愈发 突出[1]， 工程中， 强矿压显现主要呈现顶板下沉、 严 重底鼓及两帮鼓出等围岩变形破坏等特征，且复杂 的矿压显现直接影响着矿井的安全高效生产[2]。诸 多研究可知，水力压裂可以有效缓解高应力作用引 起的巷道围岩变形、支护结构失稳及工作面应力集 中等强矿压显现[3-6]。国内外学者对水力压裂卸压机 理进行了大量研究，如王耀锋提出水射流扩孔卸压 与多孔控制压裂导控的联合增透技术，通过起裂压 力和角度的变化改变裂缝扩散范围，一定程度上有 效解决了应力过度集中问题[7]； 都海龙提出的上隅 角水力压裂切顶技术，其核心思想通过定向多次水 力压裂，在采动应力和支撑压力的作用下，有效地 控制回采工作面上隅角及时垮落[8]。然而水力压裂 对强矿压显现的控制机理仍需深入细化研究，且水 力压裂现场施工后卸压效果不易评价[9-12]。 为此以布 尔台煤矿 42106 综放工作面采取水力压裂控制强矿 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.040 任永强， 牛同会.布尔台矿水力压裂对矿压显现影响分析 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （3 ） 184-187. REN Yongqiang, NIU Tonghui. Influence of Hydraulic Fracturing on Strata Behavior in Buertai Coal Mine ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （3） 184-187. 移动扫码阅读 184 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 压显现为工程背景，通过理论分析和现场实测深入 分析了水力压裂对显现矿压的影响，从理论上确定 了水力压裂防治强矿压动力灾害作用机理，其研究 成果能为矿井后续其他煤层以及神东矿区类似条件 煤层的开采提供技术借鉴。 1工程概况 42106 综放工作面总体呈仰采，倾向长度 309 m，走向长度 5 073.8 m，回采段复合区煤厚 6.15～ 7.05 m， 平均煤厚 6.7 m。煤层上覆整体厚度最深度 在切眼处为 462 m， 平均厚度为 389 m， 上覆松散层 厚 2.5～25.9 m， 与上部 22煤层间距 45～78 m， 直接 顶为砂质泥岩， 厚度 7 m； 基本顶为细粒砂岩， 厚度 11 m。工作面一侧为已经回采完成的 42105 工作面 采空区， 一侧为正在准备的 42107 工作面。 煤层顶底 板特征见表 1。 42106 工作面推进 140 m 时发生大面积来压， 底鼓严重 （受一次采动影响， 副帮已鼓 0.5 m） ， 动载 显现剧烈， 主要表现为机尾顶板响动大， 顶板掉渣， 回风巷底板底鼓严重，造成回风巷超前支架拉架困 难， 回风巷负帮帮鼓 1.6 m 左右， 负帮网包挤靠在工 作面支架和运输机机尾电机上， 造成推刮板输送机、 拉架困难， 影响正常生产。 2水力压裂理论及监测 结合布尔台矿井下的具体情况，从 42105、 42106 工作面回采现场情况来看，发生动载矿压现 象的区域埋深均超过 400 m，且工作面上方存在单 层厚度超过 10 m 的坚硬岩层。 42106 回风巷发生变 形的根本原因正是巷道围岩赋存较高的应力[13]。为 了从根本上解决上述问题，保证 42106 工作面安全 生产，对 42106 工作面回风巷上覆岩层实施水力压 裂卸压， 转移或削弱上覆岩层储存的高应力或弹性 能， 缓解巷道围岩的高应力产生的影响。 2.1水力压裂理论 采用单孔多次压裂技术工艺， 通过对顶板岩层 实施单孔多次压裂， 通过压裂顶板岩层， 削弱顶板 的强度和整体性，减弱顶板岩层的应力集中程度， 水力裂缝以横向扩展为主， 使采空区顶板能够分层 分次及时垮落， 缩短周期来压步距， 减小采空区后 方基本顶悬臂长度，减小超前支承压力集中程度。 此外， 压裂过程中， 随着水力裂缝的大范围扩展， 大 幅减小顶板岩层赋存的高应力， 释放岩层中储存的 弹性能 （裂缝扩展是 1 个吸能的过程） ， 从根本上缓 解巷道变形。压裂钻孔布置与参数如图 1。 2.2 水力压裂监测 1 ） 煤柱应力、 应变及表面位移监测。在距工作 面 200 m 以外 100 m 的范围内安装 3 个测站， 每个 测站在巷道两侧煤体上分别安装 4 个钻孔应力计 和 4 空心包体应力计， 深度分别为 4、 8、 12、 16 m。 巷 道表面位移采用十字布点的方法进行监测， 每个测 站布置 1 个测点， 连续记录数据。 2 ） 空心包体法。空心包体法是通过测量孔壁的 顶、 底板 岩石名称 厚度/m岩性特征 基本顶 细粒砂岩6～39 石英长石为主， 含少量云母碎片及暗 色矿物， 脉状及波状层理， 半坚硬。 直接顶 砂质泥岩6～18 含少量云母碎片， 水平层理， 参差状断 口， 半坚硬。 伪顶无 直接底 砂质泥岩1～19 水平层理， 参差状断口， 含少量植物化 石， 半坚硬。 表 142106 工作面顶底赋存条件 Table 1Roof and floor occurrence conditions of 42106 working face 图 1工作面压裂钻孔布置与参数 Fig.1Layout and parameters of fracturing borehole at working face 185 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 应变换算应力[14]。KX-81 型空心包体应变计由 3 组 应变花嵌入环氧树脂筒中组成， 3 组应变花的空间 夹角为 120， 每组应变花中有 4 个应变片， 1 个是沿 轴向的， 1 个是沿环向的，另外 2 个与它们成 45的 夹角。 3） 水力压裂扩散范围监测。水力裂缝扩展范围 根据巷道顶板的出水范围、临近钻孔出水进行确 定。42106 回风巷压裂钻孔中以 S9′钻孔为例， 在其 前后方， 有 S8′、 S10′等钻孔可以观察裂缝扩展范围， 工作面正帮侧存在钻孔供以观测，仅副帮侧缺少观 测钻孔，因此选定压裂范围观测钻孔后，在副帮侧 补打 1 个观测钻孔。此外， 正帮侧因钻孔角度、 方位 的差别， 也需补打 1 个钻孔。以 S9′为例， 补打观测 钻孔的角度和方位如图 2。观测孔垂高与压裂钻孔 相同， 最高点位于 1 条直线上， 观测孔与压裂孔最高 点相距 15 m。 4） 顶板岩层强度。采用围岩强度测试仪测试岩 层强度，测试对比压裂前后的围岩强度。围岩强度 测试采用钻孔触探法[15]， 其结果比较接近岩体。 在井 下巷道围岩钻孔中进行的，水力压裂围岩强度测定 原理示意图如图 3。探头内的活塞可使端部探针压 向孔壁。指示仪显示可显示探针的位移。孔壁临界 破坏压力之前， 探针静止不动， 随着压力的增加， 探 针作用在孔壁上的压力达到其临界压力时，孔壁岩 体破坏，泵压显示读数即为该点孔壁岩体的临界压 力。由此可得到该点的岩体单轴抗压强度。 5） 钻孔窥视。 钻孔窥视仪如图 4， 窥视仪由摄像 头、 图像接收与存储装置、 安装杆等组成。仪器有摄 像头在钻孔中接收图像，通过接收仪直接观察、 记 录图像， 并可与计算机连接， 分析和处理图像， 能直 观、 清楚的反映围岩的结构。 3监测结果分析 42106 综放工作面推进至 320 m 进入补强支护 与水预裂区域，现根据现场测量巷道高度及宽度进 行分析，水力压裂 42106 回风巷巷道高度和宽度实 测图如图 5。 从图 5 分析可以看出， 高压水预裂区域 顶底板移尽量和两帮移尽量明显减小， 从现场来看， 42106 回风巷来压较未预裂前频繁了，来压步距有 所减小， 但来压强度也相应的减弱， 未出现特别剧烈 来压现象。相反的，工作面在进入未进行水预裂的 1 100～1 200 m 处时，又开始发生压力显现较为严 重迹象，如底板突然鼓起、直接将人员和设备弹起 等现象。 同时， 进一步分析可知， 压裂也削弱了顶板岩层 中赋存的高应力。水力裂缝在顶板岩层中的扩展削 弱了顶板岩层中赋存的高应力，裂缝扩展释放是存 储在顶板岩层的弹性能，避免能量突然释放引起围 岩剧烈变形。压裂范围内顶板的岩爆声大幅降低。 压裂后， 机尾及回风巷顶板可及时垮落， 避免大 图 2水力压裂裂缝扩展范围观测孔 Fig.2Observation hole of hydraulic fracturing fracture extension range 图 3水力压裂围岩强度测定原理示意图 Fig.3Schematic diagram of hydraulic fracturing surrounding rock strength measurement principle 图 4水力压裂钻孔窥视仪 Fig.4Hydraulic fracturing borehole peeper 186 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 图 5水力压裂 42106 回风巷巷道高度和宽度实测图 Fig.5Measured roadway height and width of hydraulic fracturing 42106 return air lane 面积悬顶的形成，从根本上削弱强烈矿压形成的条 件。工作面实测悬顶面积如图 6。 4结论 1 ） 通过在顶板岩层中实施水力压裂， 裂缝扩展 削弱了顶板岩层中赋存的高应力，裂缝扩展释放是 存储在顶板岩层的弹性能，避免能量突然释放引起 围岩剧烈变形。 2） 通过单孔多次压裂后， 基本顶得到充分弱化， 其强度和整体性大幅降低，随着工作面推进，基本 顶能及时垮落， 避免产生较长悬顶， 降低超前支承压 力集中程度， 巷道围岩变形已经得到有效缓解。 3） 通过巷道副帮侧钻孔压裂， 减弱煤柱及其上 覆岩层的高应力， 减小相邻采空区侧向支承压裂对 42106 回风巷变形的影响。 参考文献 ［1］ 张斗群.黄岩汇煤矿矿压显现多参量监测及巷道支护 研究 ［D］ .北京 中国矿业大学 （北京） ， 2016 12-19. ［2］ 董合祥， 段宏飞， 王亚军.特厚煤层坚硬顶板临空煤巷 强矿压显现机理及控制技术 ［J］ .煤矿安全， 2018， 49 （9） 271-275. ［3］ 冯彦军.神东矿区旺采工作面顶板岩层水力压裂控制 技术研究 ［J］ .煤矿开采， 2018， 23 （4） 81-84. ［4］ 王先攀.水力压裂技术对掘进顶底板的影响考察研究 ［J］ .能源技术与管理， 2015， 40 （2） 52-54. ［5］ 冯彦军， 陈金宇， 司林坡.综放工作面水力预裂初次放 顶技术及应用 ［J］ .煤炭技术， 2017， 36 （3） 30-32. ［6］ 徐军见.大断面二次动压巷道变形特征与支护对策 ［J］ .煤矿安全， 2018， 49 （10） 159-162. ［7］ 王耀锋， 薛伟超， 李艳增， 等.诱导应力场对井下多孔 压裂缝网形成的导控作用研究 ［J］ .煤矿安全， 2018， 49 （11） 10-15. ［8］ 都海龙.回采工作面上隅角水力压裂切顶技术及其用 ［J］ .煤炭工程， 2017， 49 （12） 86-89. ［9］ 黄炳香.煤岩体水力致裂弱化的理论与应用研究 ［D］ . 徐州 中国矿业大学， 2009 49-57. ［10］ 冯彦军， 周瑜苍， 刘勇， 等.水力压裂在酸刺沟煤矿初 次放顶中的应用 ［J］ .煤矿开采， 2016， 21 （5） 75-78. ［11］ 李全贵， 翟成， 林柏泉， 等.定向水力压裂技术研究与 应用 ［J］ .西安科技大学学报， 2011 （6） 39-42. ［12］ 康红普， 冯彦军.煤矿井下水力压裂技术及在围岩控 制中的应用 ［J］ .煤炭科学技术， 2017， 45 （1） 1-9. ［13］ 许宏伟， 吴锐， 王晖， 等.巷内预充填无煤柱开采围岩 应力分布及变形破坏特征 ［J］ .煤矿安全， 2018， 49 （7） 216-219. ［14］ 谷守云. 空包法地应力实测技术在林南仓煤矿的应 用 ［J］ .陕西煤炭， 2013， 32 （5） 74-76. ［15］ 雷顺， 杨景贺， 司林坡， 等.破碎煤体钻孔触探法原位 强度测试与分析 ［J］ .煤矿开采， 2017， 22 （5） 13-16. 图 6水力压裂前后回风巷悬顶面积 Fig.6Hanging roof area of return air lane before and after hydraulic fracturing 作者简介 任永强 （1967） ， 男， 内蒙古包头人， 高级工 程师， 硕士， 布尔台煤矿生产矿长， 从事煤矿生产设计及施 工管理工作。 （收稿日期 2018-11-22； 责任编辑 朱蕾） 187 ChaoXing