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。
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。
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
岩层厚度/m密度/(kg·m-3)弹性模量/GPa泊松比法向刚度/(GPa·m-1)剪切刚度/(GPa·m-1)黏聚力/MPa内摩擦角/(°)抗拉强度/MPa顶板砂质泥岩6.12 3002.00.269.61.90.9340.032顶板中粒砂岩10.62 60020.00.2596.019.21.8360.800顶板泥岩3.82 5007.00.2633.66.70.2310.012煤层5.51 4001.40.286.71.30.1300.004底板泥岩20.02 5609.30.2744.68.90.9340.032上覆岩层394.52 0003.70.2517.83.60.5330.420
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
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%。
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。
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
图7 水力压裂钻孔布置
Fig.7 Layout of hydraulic fracturing boreholes
(a) 非压裂试验段
(b) 压裂试验段
图8 巷道表面位移监测曲线
Fig.8 Roadway surface displacement monitoring curves
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%。
(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。
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