水力压裂切顶卸压技术在大采高留巷中的应用研究.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 . 移动扫码阅读 孙志勇张 镇王子越等.水力压裂切顶卸压技术在大采高留巷中的应用研究.煤炭科学技术 / . . / 水力压裂切顶卸压技术在大采高留巷中的应用研究 孙志勇张 镇王子越王 涛付玉凯 中国煤炭科工集团天地科技股份有限公司 开采设计事业部北京 摘 要针对晋煤集团寺河煤矿东五盘区东翼集中巷受多次强烈采动影响、巷间煤柱尺寸小、服务周 期长、向斜轴部应力集中程度高等特点应用水力压裂切顶卸压技术改善围岩应力状态为大采高留 巷围岩变形控制提供了一个新途径 研究了水力压裂切顶卸压技术在大采高留巷中的作用本质工 作面回采前利用高压水在护巷煤柱上覆岩层中形成一个“准破裂面”工作面回采时在采场周期来 压的作用下采空区顶板沿“准破裂面”断裂减少悬臂梁的跨距卸载或转移工作面侧向悬臂梁传递 到护巷煤柱的高应力 综合考虑井下现场作业空间狭小、工作面高位钻孔、地面 型抽放井等多个 影响因素设计水力压裂切顶卸压方案压裂钻孔双侧布置深孔长度 浅孔长度 为保证 压裂效果超前工作面 进行压裂施工倒退式压裂间隔为 通过监测与分析水力 压裂切顶卸压效果得出顶板岩层裂缝起裂压力约 扩展压力在 切顶卸压后两 帮移近量降低 顶板下沉量降低 底鼓量降低 同时显著减小帮锚索受力变化幅度 压 裂后煤柱垂直应力在超前工作面 至滞后工作面 范围内出现峰值点未压裂的煤柱垂直应 力的峰值点出现在滞后工作面 至 范围 关键词大采高留巷多巷布置水力压裂卸压机理 中图分类号. 文献标志码 文章编号 . . . . . “ ” . . . . . . 收稿日期责任编辑杨正凯 基金项目中国煤炭科工集团有限公司创新创业资金专项资助项目国家自然科学基金青年基金资助项目 国家自然科 学基金煤炭联合基金资助项目 作者简介孙志勇男山东诸城人助理研究员硕士 . 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 孙志勇等水力压裂切顶卸压技术在大采高留巷中的应用研究 年第 期 . . . . . 引 言 随着煤炭产量大幅度提高以及大量高瓦斯矿 井的出现为有效解决运输、通风及瓦斯等问题工 作面巷道常采用多巷布置这种布置方式造成的留 巷支护问题日益突出 文献阐述了对多巷布置 在高瓦斯矿井应用的必要性、存在的不足以及解决 措施 文献以晋城矿区回采工作面多巷布置留 巷为工程背景基于大量实测数据研究了留巷围岩 变形与破坏的特征及机制分析了存在的问题并提 出改进意见 切顶卸压技术的含义是超前工作面采用定向 聚能爆破或水力压裂技术在采空区侧顶板预制切 缝工作面回采时利用采场初次或周期来压沿切缝 方向切断采空区与巷道间顶板的联系转移基本顶 回转或弯曲下沉形成的巨大应力实现卸压作用 切顶卸压技术在我国煤矿开始于 世纪 年代 目前主要用于两个方面一方面是工作面切顶卸压 解决坚硬难垮顶板大面积悬顶问题 另一方面是巷 道中切顶卸压解决冲击矿压、沿空留巷、煤柱留巷 等复杂困难巷道的维护问题 定向聚能爆破切顶卸压是指采用聚能张拉爆破 技术对沿空巷道顶板实施预裂切断沿空巷道顶板 与采场直接顶、基本顶的联系 何满潮院士团队提 出切顶卸压沿空留巷技术及其配套工艺文献 在顶板聚能预裂爆破理论设计的基础上结合具 体岩层条件和预裂切顶设计参数在薄煤层、浅埋 深、坚硬顶板等多种地质条件下进行了切顶卸压沿 空留巷现场试验 水力压裂切顶卸压是指通过钻孔切槽并注高压 水在顶板岩石中形成定向裂缝破坏岩石的完整 性 在采煤方面定向水力压裂可使顶板易于垮落 在巷道围岩中可使高应力转移防止冲击地压发 生 我国水力压裂技术是从波兰引进最早在大同 矿区进行井下试验随着火工品控制越来越严、高瓦 斯矿井安全管理、浅埋爆破控顶易对地面构成一定 威胁等原因水力压裂切顶卸压技术得到逐步推广 和应用 文献针对煤矿坚硬难垮顶板控制的研 究现状及存在的问题进行了定向水力压裂控制煤 矿坚硬难垮顶板井下试验并取得良好效果目前该 技术已在晋城、潞安、大同、神东等多个矿区得到推 广应用 文献采用空心包体应变计对水 力压裂前后钻孔附近煤层应力变化进行监测研 究水力压裂的机理和评价压裂效果 文献 研究了水力压裂处理坚硬顶板的机制认为在 人工切槽处注入高压水可定向将坚硬老顶分层 从而降低顶板来压强度 文献研究了煤岩体 在水力压裂作用下裂缝的扩展行为特性 文献 提出在钻孔轴向或径向预割出给定方向 的裂缝然后对预割裂缝进行水力压裂的定向压 裂技术 可以看出前人对切顶卸压技术在坚硬顶板控 制和沿空留巷方面进行了大量研究但是关于水力 压裂切顶卸压在大采高留巷现场应用方面仍然没 有成熟的技术工艺 基于以上背景笔者选择山西 晋煤集团寺河煤矿进行水力压裂切顶卸压试验 通 过对比分析压裂段与非压裂段煤柱应力变化、留巷 变形情况以期为水力压裂切顶卸压在大采高留巷 中的应用提供依据 工程概况 寺河煤矿东井区属于高瓦斯矿井主采 号煤 层东五盘区煤层平均厚度为 . 煤层倾角平均 大采高工作面采用一次采全高综合机械化采煤 方法 东翼四条集中巷位于 和 两个工作 面之间埋深 均为东西向布置与工作 面回采方向平行 由南往北分别为回风二巷煤 巷、回风一巷岩巷、辅助运输巷煤巷、运输巷 煤巷 煤巷断面均为矩形高 . 宽 . 掘 进断面为 沿 号煤层底板掘进顶板留有 . 顶煤 岩巷布置在 号煤顶板岩层中断面为 直墙半圆拱巷宽. 墙高. 拱高. 掘 进断面积为 . 基本以 号煤线为腰线掘进 距 号煤垂距约 巷道布置和层位关系如图 所示 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 图 东五盘区东翼集中巷布置 . 根据现场调研东翼集中巷围岩存在以下特 点多次强烈采动影响巷道掘进相互扰动、 与 两个大采高工作面顺序回采动压 动压影响时间长巷道轴向与工作面回采方向相 同长时间经受 、 工作面侧向支承压力 的影响构造影响 与 工作面之间区 域为向斜构造东翼集中巷基本位于向斜轴部水 平应力升高巷道服务周期长集中巷两侧均为 工作面采空区为后续 个工作面服务服务期至 年以后护巷煤柱尺寸偏小回风二巷与 巷间净煤柱宽 回风一巷布置在回风二 巷与辅助运输巷之间 净煤柱顶板岩层中与 两巷的平距分别为 和 辅助运输巷与胶 带巷之间净煤柱 巷道密集且巷间煤柱尺寸小应力集中程度 高 从上述分析看出东翼集中巷留巷难度非常 大一旦巷道出现问题将极大影响生产衔接 针 对上述问题在该位置试验水力压裂切顶技术改 善围岩应力状态为动压留巷围岩变形控制提供 一个新途径 卸压方案设计 . 卸压机理 卸压机理如图 所示在大采高工作面回采前 利用特殊开槽钻头在顶板钻孔中预制横向切槽然 后对横向切槽段封孔利用高压水在切槽端部产生 裂隙并沿岩层扩展在护巷煤柱上覆岩层中形成 一个“准破裂面” 工作面回采时在采场周期来压 的作用下采空区顶板沿“准破裂面”断裂减少悬 臂梁的跨距缩短侧向支承压力的作用时间卸载或 转移工作面侧向悬臂梁传递到护巷煤柱的高应力 改善留巷的应力状态降低巷道维护难度保证矿井 安全生产 图 水力压裂切顶卸压机理 . . 试验机具与设备 横向切槽钻头 根据顶板岩层特性开发研 制了外径 的切槽钻头能够在单轴抗压强度 为 的岩层中预制横向切槽切槽半径 约为钻孔半径 的 倍钻头结构如图 所示 图 横向切槽钻头 . 跨式膨胀型封孔器 根据井下现场条件采 用膨胀介质为水、由纤维加强的橡胶材料为弹性膜 的跨式膨胀型封孔器进行压裂段封孔 封孔器主要 由受内压可膨胀的弹性膜、位于两端的钢套、中通钢 管以及弹性膜膨胀导管组成如图 所示 井下静 压水经过加压后经膨胀导管进入中通钢管与弹性膜 之间的空隙使弹性膜膨胀与钻孔壁紧密贴合达到 封孔的目的 水力压裂泵 水力压裂泵的压力和流量需 能压裂钻孔并实现裂缝有效扩展考虑矿井实际条 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 孙志勇等水力压裂切顶卸压技术在大采高留巷中的应用研究 年第 期 图 跨式膨胀型封孔器结构图 . 件选择使用 / 型高压水泵如图 所 示水泵的额定压力为 流量 / 图 水力压裂泵结构图 . . 卸压方案设计 根据水力压裂切顶卸压机理压裂地点选择在 工作面 巷 号联络巷图 试验 长度 在回风二巷和 工作面方向分别 布设钻孔切断 巷与回风二巷之间煤柱上部 侧向悬顶降低煤柱载荷减少回风二巷及东翼其它 巷道的变形 根据井下现场情况卸压方案设计及 施工需考虑以下 个影响因素带式输送机 巷为 工作面的运输巷输送带宽度 . 非行人侧宽度 .. 行人侧宽度 .. 工作面高位钻孔图 工作面共布置 组高位钻孔抽取上隅角瓦斯开孔位置分别在 巷与回风二巷之间的 、、、 号横穿压 裂钻孔需避开高位钻孔地面 型井工作面靠 近 巷布置有 个地面 型采动井抽取采空 区后方瓦斯压裂钻孔需避开这些位置 图 水力压裂区域示意 . 由于行人侧只有 .. 的宽度/ 型履 带式钻机体积过大无法施工而普通的无履带地质 钻机需靠人工移动架钻与稳钻时间长效率低下 很难与综采工作面 / 的推进速度相衔接 因此采用新型的 型液压坑道钻机图 整机外形尺寸长宽高 最大输出转矩 能够实现在狭小空间 内 全方位高效率打设钻孔 图 地面抽采井与高位钻孔位置 . 图 新型钻机示意图 . 根据顶板岩层结构结合现有施工条件确定水 力压裂钻孔布置如下压裂钻孔为双侧布置图 煤柱侧钻孔在巷帮开孔位置距顶板 .. 钻孔直径 长度为 倾角为 孔间 距为 钻孔与巷道轴线方向夹角 图 皮带侧钻孔在顶板开孔位置距煤柱侧帮 .. 钻孔直径 长度为 倾角为 孔间 距为 钻孔与巷道轴线方向夹角 图 为保证压裂效果并防止钻孔变形超前工作面 进行压裂施工 根据钻孔窥视结果选 择完整段作为压裂位置压裂采用倒退式压裂间隔 一般为 压裂时间根据顶板与周围钻孔出水 情况确定完成压裂的钻孔可作为下个压裂钻孔的 观测孔若钻孔出水量与高压泵的进水量大致相同 时停止压裂未出水时压裂时间一般为 巷道顶板锚索长度为 . 末次压裂位置需 大于 压裂过程中密切关注顶板变化若有异 常立即停止作业 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 图 水力压裂钻孔布置 . 现场应用效果分析 . 压裂压力监测 在注水压裂过程中利用 型流量水压 仪监测压力随时间的变化情况绘制压力时间曲 线对压裂效果进行分析和计算典型的水力压裂过 程水压变化特征如图 所示该曲线为 号孔 段的压力记录 图 号孔 段水力压裂压力曲线 . . 从图 中可以看出水压随时间先急剧增大 约 达到峰值 此时裂缝开始起裂 此后 水压出现极其紧密的锯齿状波动波动范围 表明裂缝在相对稳定压力作用下不断发生扩 展 压裂时长 后停止作业水压降为零该 位置压裂结束 . 围岩位移监测 分别在回风二巷对应压裂段和未压裂段布置表 面位移测站未压裂段测点位置为 号联络巷东侧 监测结果如图 所示压裂段测点位置为 号横穿东侧 监测结果如图 所示 图 为 巷道围岩随工作面推进距离的变化规律即空间变 化规律图 为巷道围岩随时间的变化规律 图 中垂直横坐标轴的两条虚线分别代表 年 月 日和 月 日工作面回采位置虚线之间阶段 工作面回采速度 / 其他阶段 工 作面回采速度 / 图 未压裂段围岩变形曲线 . 未压裂段回风二巷两帮移近量 顶板 下沉量 底鼓量 采用水力压裂 切顶卸压技术后两帮移近量 降低 顶 板下沉量 降低 底鼓量 降 低 同时从图中也可以看出 年 月 日 日工作面回采速度降低回风二巷围岩变形 量急剧增加主要表现为底鼓变形数日之内巷道底 鼓量增加 滞后工作面 后 巷道变形基本稳定 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 孙志勇等水力压裂切顶卸压技术在大采高留巷中的应用研究 年第 期 图 压裂段围岩变形曲线 . . 煤柱垂直应力监测 在回风二巷安装煤柱应力在线监测系统监测 巷与回风二巷之间 煤柱的应力变化 压裂段布置 个测站 号测站布置 号横川东侧 号测站布置在 号横川西侧 钻孔深 度分别为 、、、 未压裂段布置 个测站 号 测站布置在 号横川东侧 号测站布置在 号横川西侧 钻孔深度分别为 、、、 钻 孔间距均为 钻孔孔口布置在距离底板 .. 处钻孔直径 通讯电缆及监测分站挂在煤 帮上并可靠固定与保护 压裂段 号测站结果分析在超前工作面 时煤柱应力开始明显变化超前工作面 至滞 后工作面 范围煤柱应力普遍升高不同深度 的煤柱应力计分别达到峰值 深度应力峰值为 . 深度应力峰值为. 深度应 力峰值为 深度应力峰值为 . 号测站结果分析在超前工作面 范围内煤 柱应力普遍升高且达到峰值 深度应力峰值为 . 深度应力峰值为 . 深度应 力峰值为 . 深度应力峰值为 . 图 不同深度应力对比曲线 . 未压裂段 号测站结果分析在超前工作面 至滞后工作面 范围时煤柱应力变化不明 显滞后工作面 以后煤柱应力普遍升高其中 深度的应力增长幅度最大其次为 然后是 和 在滞后工作面 至 不同深 度的煤柱应力计达到峰值 其中 深度应力峰值 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 为 . 深度应力峰值为 . 深度 应力峰值为 . 深度应力峰值为 . 可以看出随着钻孔深度的增加煤柱应力峰 值也随之增大孔深 时达到最大随着孔深的 进一步增加煤柱应力峰值反而降低 号测站结 果分析在超前工作面 至滞后工作面 范 围时煤柱应力变化不明显滞后工作面 以后 煤柱应力普遍升高其中 深度的应力增长幅度 最大其次为 然后是 和 在滞后工作 面 至 不同深度的煤柱应力计达到 峰值 对比压裂段和未压裂的应力监测结果压裂段 的应力在超前工作面 至滞后工作面 范围 内出现了峰值点此后迅速降低而未压裂段的应力 在滞后工作面 至 范围达到峰值 说明 水力压裂能够减少工作面侧向悬臂梁的跨距缩短 侧向支承压力的作用时间 图 锚索受力对比曲线 . . 锚索受力监测 压裂段布置 个锚索测力计位置在回风二巷 号横川以东 其中 个顶板锚索锚索直径 长度 . 个帮锚索锚索直径 长 度 . 未压裂段布置 个锚索测力计位置在 号横川以东 参数与压裂段相同 从测试结果中可以看出在超前工作面 到滞后工作面 范围内顶板锚索受力压裂前与 压裂后两种情况基本相似 帮锚索受力变化区别较 大在超前工作面 到滞后工作面 范围内 未压裂段帮锚索受力由 增加至 压裂段 帮锚索受力由 增加至 说明采用水力 压裂后煤柱巷帮锚索受力变化幅度较小未压裂时煤 柱巷帮锚索受力变化幅度大且载荷值较大 结 论 研究了水力压裂切顶卸压技术在大采高留巷 中的作用本质工作面回采前利用高压水在护巷煤柱 上覆岩层中形成一个“准破裂面”工作面回采时在 采场周期来压的作用下采空区顶板沿“准破裂面” 断裂减少悬臂梁的跨距缩短侧向支承压力的作用 时间卸载或转移工作面侧向悬臂梁传递到护巷煤柱 的高应力达到巷道卸压、缓解巷道变形目的 针对晋煤集团寺河煤矿东五盘区东翼集中 巷受多次强烈采动影响、巷间煤柱尺寸小、服务周期 长、向斜轴部应力集中程度高等特点应用水力压裂 切顶卸压技术改善围岩应力状态为大采高留巷围 岩变形控制提供了一个新途径 综合考虑井下现场作业空间狭小、工作面高 位钻孔、地面 型抽放井等多个影响因素设计水 力压裂切顶卸压方案压裂钻孔双侧布置深孔长度 浅孔长度 为保证压裂效果超前工作 面 进行压裂施工 根据钻孔窥视结果 选择完整段作为压裂位置压裂采用倒退式压裂间 隔为 对水力压裂切顶卸压效果进行了监测与分 析顶板岩层裂缝起裂压力约 扩展压力在 切顶卸压后回风二巷两帮移近量降低 顶板下沉量降低 底鼓量降低 同时 显著减小帮锚索受力变化幅度 压裂后煤柱垂直应 力在超前工作面 至滞后工作面 范围内出 现峰值点未压裂的煤柱垂直应力的峰值点出现在 滞后工作面 至 范围 参考文献 董文敏.多巷布置在高瓦斯矿井的应用.煤矿开采 . . . . 康红普颜立新郭相平等.回采工作面多巷布置留巷围岩变 形特征与支护技术.岩石力学与工程学报 . 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 孙志勇等水力压裂切顶卸压技术在大采高留巷中的应用研究 年第 期 . . . 孙晓明刘 鑫梁广峰等.薄煤层切顶卸压沿空留巷关键参 数研究.岩石力学与工程学报. . . . 郭志飚王 将曹天培等.薄煤层切顶卸压自动成巷关键参 数研究.中国矿业大学学报. . . . 陈 勇郝胜鹏陈延涛等.带有导向孔的浅孔爆破在留巷切 顶卸压中的应用研究.采矿与安全工程学报 . . . . 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