煤矿井下水力压裂切顶卸压护巷技术应用研究.pdf

工矿自动化 In dust r y a n d Min eAut oma t ion 第45卷第10期 2019年10月 Vol 45 No. 10 Oct 82019 文章编号671-251X201910-0099-05DOI10. 13272/j. issn . 1671-251x. 17474 煤矿井下水力压裂切顶卸压护巷技术应用研究 董志勇 山西焦煤集集团 技术中心，山西 太原太原 030024 扫码移动阅读 摘要杜儿坪煤矿北三盘区8号煤瓦斯含量高，直接顶和基本顶均为坚硬的石灰岩，工作面回采后在上 隅角容易形成较大面积悬顶，短期内不易自然垮落，致使相邻工作面保护煤柱内应力集中程度高在工作面 回采过程中，布置在煤柱下方的底抽巷受超前及侧向支承压力的影响，往往发生较大变形，严重影响了巷道 通风和瓦斯抽采。受强烈动压影响的底抽巷，矿压显现剧烈，不能满足一巷两用需求。针对上述问题，以 68306工作面为研究对象，开展了水力压裂切顶卸压护巷底抽巷技术研究在回风巷靠煤柱侧不采帮顶 板上实施水力压裂切顶卸压护巷技术，切断巷道和煤柱上方基本顶的连接，减小侧向悬臂梁的长度，削弱或 转移煤柱上覆的高应力，降低煤柱的载荷，使68306底抽巷处于低应力区域，从根本上改变巷道围岩的应力 状态，达到卸压护巷的效果。试验结果表明，实施水力压裂切顶卸压护巷技术后，明显降低了底抽巷围岩变 形量，两帮和顶底板变形量分别控制在12和20以内；回风巷实施水力切顶后，工作面上隅角悬顶面积得 到了有效控制，避免了上隅角瓦斯积聚 关键词煤炭开采；矿压；回采工作面；水力压裂；切顶卸压；钻孔卸压；护巷；底抽巷 中图分类号TD322 文献标志码A Appl ica t ion r esea r chon r oa dwa y pr ot ect ion t echn ol og y by hy dr a ul icf r a ct ur in g r oof cutin g pr essur er el ief in un der g r oun dcoa l min e DONGZhiy on g Techn ol og y Cen t er ,Sha n xiCok in g Coa l Gr oup,Ta iy ua n 030024,Chin a AbstractTheg a scon cen t r a t ion of No.8coa l sea min n or t h3pa n el of Duer pin g Coa l Min eishig h,t he dir ect r oof a n dt heb a sicr oof a r eb ot hha r dl imest on e,a n dit isea sy t of or ma l a r g ea r ea of ha n g in g r oof in t heupper cor n er a f t er st opin g on wor k in g f a ce,whichisn ot ea sy t ocola psen a t ur aly in a shor t t ime, r esul t in g in a hig hdeg r eeof st r esscon cen t r a t ion in t hepr ot ect iv ecoa l pila r of t hea dja cen t wor k in g f a ce. In t hepr ocessof st opin g of wor k in g f a ce,f l oor g a sdr a in a g er oa dwa y a r r a n g edun der t hecoa l pila r isof t en afect edby a dv a n cea n dl a t er a l suppor t in g pr essur e,whichof t en r esul t sin l a r g edef or ma t ion a n dser iousl y a fect s v en t il a t ion a n d g a s ext r a ct ion of t he r oa dwa y . Un der in f l uen ce of st r on g dy n a mic pr essur e, t he f l oor g a sdr a in a g er oa dwa y showsin t en sepr essur e,whichca n n ot sa t isf y t hedua l -useof on er oa dwa y .In v iew of t he a bov e pr obl ems, t a k in g 68306 wor k in g f a ce a s r esea r ch object , a ppl ica t ion r esea r ch on r oa dwa y pr ot ect ion f l oor g a sdr a in a g er oa dwa y t echn ol og y by hy dr a ul icf r a ct ur in g r oof cutin g pr essur er el ief wa s ca r r ied out . The r oa dwa y pr ot ect ion t echn ol og y by hy dr a ul ic f r a ct ur in g r oof cu tin g pr essur e r el ief wa s a dopt edon r oof n ea r t hecoa l pila r sidein a ir r et ur n wa y t ocut oft hecon n ect ion b et ween t her oa dwa y a n d t heb a sicr oof a b ov et hecoa l pila r ,a n d min imizet hel en g t hof sideca n t il ev er bea m,wea k en or t r a n sf er hig hst r essof ov er l y in g coa l pila r ,r educet hel oa dof coa l pila r ,soa st o ma k e68306f l oor g a sdr a in a g e 收稿日期收稿日期2019-06-29;修回日期修回日期2019-09-12;责任编辑责任编辑张强。 基金项目基金项目山西省科技计划研究项目面上青年基金项目201801D111358。 作者简介作者简介董志勇1989 ,男，河南许昌人，博士，现主要从事煤矿生产技术研究与管理工作,E-ma il847616045qq. com。 引用格式引用格式董志勇煤矿井下水力压裂切顶卸压护巷技术应用研究工矿自动化2019,451099-103 DONG Zhiy on g . Appl ica t ion r esea r ch on r oa dwa y pr ot ect ion t echn ol og y by hy dr a ul icf r a ct ur in g r oof cutin g pr essur er el ief in un der g r oun d coa l min e,]. In dust r y a n d Min e Aut oma t ion , 2019,4510 99-103. 100 . 工矿自动化 45 r oa dwa y be in a l ow st r ess a r ea , f un da men t a l l y cha n g e t he st r ess st a t e of r oa dwa y sur r oun din g r ock , which a chiev es t he ef f ect of pr essur e r el ief a n d pr ot ect t he r oa dwa y . The t est r esul t s show t ha t t he def or ma t ion of sur r oun din g r ock of f l oor g a s dr a in a g e r oa dwa y is obv iousl y r educed a f t er impl emen t a t ion of r oa dwa y pr ot ect ion t echn ol og y by hy dr a ul ic f r a ct ur in g r oof cut t in g pr essur e r el ief , t he def or ma t ion of t he t wo sides a n d t he r oof a n d f l oor a r e con t r ol l ed wit hin 12 a n d 20 r espect iv el y . Af t er usin g hy dr a ul ic f r a ct ur in g r oof cut t in g in a ir r et ur n wa y , t he a r ea of ha n g in g r oof in t he upper cor n er of t he wor k in g f a ce is ef f ect iv el y con t r ol l ed, a n d t he g a s a ccumul a t ion in t he upper cor n er is a v oided. Key words coa l min in g ； min e pr essur e; st ope f a ce; hy dr a ul ic f r a ct ur in g ； r oof cut t in g a n d pr essur e r el ief _bor ehol eof pr essur er el ief _r oa dwa y pr ot ect ion _f l oor g a sdr a in a g er oa dwa y 0引言引言 杜儿坪煤矿8号煤瓦斯含量高，为了保证回采 安全,分别布置了高抽巷和底抽巷用于瓦斯抽采，一 般情况下一条底抽巷服务于上部2个工作面的瓦斯 抽采。然而，由于8号煤直接顶和基本顶均为坚硬 而完整的石灰岩，工作面回采后在上隅角容易形成 较大面积悬顶，短期内不易自然垮落,从而引起工作 面侧向支承压力显著增高，致使相邻工作面保护煤 柱内应力集中程度高。在工作面回采过程中，布置 在煤柱下方的底抽巷受超前及侧向支承压力的影 响，往往发生较大变形，严重影响了巷道通风和瓦斯 抽采。因而，对于受强烈动压影响的底抽巷，矿压显 现剧烈，不能满足一巷两用需求，相邻工作面回采时 需要对底抽巷进行二次整巷维修，不仅增加了巷道 维护成本，而且带来较多安全隐患，严重制约采煤工 作面的安全高效生产。强烈动压巷道压力的主要来 源是采空区内靠近煤柱侧顶板未完全垮落而形成悬 顶，对煤柱产生侧向压应力，从而影响巷道稳定，释 放动压巷道的压力来源是解决巷道支护困难的有效 途径,12-。近年来，煤岩体水力压裂弱化控制技术发 展迅速，已经在坚硬顶板控制、强烈动压巷道卸压、 坚硬顶煤弱化等领域推广应用，大幅提升了矿井生 产的安全性[34] „本文以西山煤电集团杜儿坪煤矿 68306工作面为试验地点，重点介绍了水力压裂切 顶卸压护巷技术在该工作面的应用研究。 1工作面概况工作面概况 西山煤电集团团杜儿坪煤矿北三盘区8号煤 68306工作面可采走向长度为1 199 m,开切眼长度 为209. 5 m,采高为4. 8 m,埋深为367〜540 m,煤 层倾角为0〜7。。该工作面绝对瓦斯涌出量为 38 m3/min,采用单一走向长壁后退式综合机械化 采煤法，全部垮落法管理顶板。工作面直接顶和基 本顶均为坚硬而完整的石灰岩，顶底板岩性特征见 表1。 表1 8号煤顶底板岩性特征 Ta b l e1 Cha r a ct er ist icsof r oof a n df l oor l it hol og y of No.8coa l sea m 顶底板名称岩石名称平均厚度/m岩性特征 基本顶石灰岩 7.15 灰色石灰岩，致密坚硬，裂隙充填方解石脉，含有动物化石及黄铁矿晶体 黑灰色砂质泥岩，致密坚硬，裂隙充填方解石脉，含有动物化石及黄铁矿晶体；局部相变为泥 直接顶石 4.53 灰岩 8号煤煤4.80煤，厚度变化较大,局部下部含一层厚为0. 2 m左右的夹石 直接底细砂岩 1.43 灰黑色细砂岩，上部含砂量较大，下部含砂量减少，局部相变为砂质页岩或砂质泥岩 本细砂岩 3.69 灰黑色细砂岩，含有植物化石及云母片，黄铁矿 68306工作面由机轨巷、回风巷、开切眼及高、 底抽巷组成，其中底抽巷外错68306回风巷10 m布 置，与回风巷垂直间距为1. 5〜2 m。试验巷道为 68306回风巷，目标保护巷道为68306底抽巷。工 作面布置及水力压裂位置如图1所示。 2水力压裂切顶卸压技术原理水力压裂切顶卸压技术原理 目前，切顶卸压预裂主要有爆破预裂法和水力 压裂法等卩8。爆破预裂法一般用于低瓦斯矿井顶 板相对松软煤层。杜儿坪煤矿8号煤的直接顶和基 本顶均为致密坚硬的石灰岩顶板，煤层瓦斯含量高, 采用爆破预裂法存在工程量大、炸药用量多、安全性 差及形成大量有毒气体等问题a1-。近年来，水力 压裂切顶卸压技术以其安全系数高、卸压效果好、施 工方便简单等优势逐渐得到广泛应用。所以，本文 针对杜儿坪煤矿8号煤68306工作面开展水力压裂 2019年第10期董志勇煤矿井下水力压裂切顶卸压护巷技术应用研究・101・ 北一 /胶带机 大巷 」 ■ 6 S 0 6 6 S 0 6 斗总爲 置 位 裂 压 / 力 水 a平面图 b剖视图 图1 68306工作面布置及水力压裂切顶卸压位置 Fig . 1 68306 wor k in g f a ce l a y out a n d hy dr a ul ic f r a ct ur in g r oof cut t in g a n d pr essur e r el ief posit ion 切顶卸压护巷技术研究。 水力压裂切顶卸压护巷技术是指在巷道靠近煤 柱侧顶板上方按照一定角度打设钻孔，钻孔穿过巷 道基本顶，深度取决于顶板岩性和厚度，然后采用高 压水进行逐次分段压裂，切断巷道和区段煤柱基本 顶的连接，从而阻止应力向煤柱侧的传递，进而减缓 相邻巷道以及煤柱下近距离巷道的动压影响程度， 达到减少巷道变形的卸压护巷效果「12「13-,其工作原 理如图2所示。 1-静压水进水管路；2高压水泵；3水泵压力表； 4 流量计；5 手动泵；6,11 快速连接的高压供水胶管； 7 手动泵压力表；8 水压仪；9接头；10注水钢管； 12蓄存压裂介质水和油的储能器；13 封孔器； 14 压裂钢管管壁打孔；15 预裂缝必要时； 16下封孔器注水管；17水力压裂钻孔。 图2顶板水力压裂工作原理 Fig 2 Wor k in g pr in cipl eof r oof hy dr a ul icf r a ct ur in g 3水力压裂切顶卸压护巷技术应用水力压裂切顶卸压护巷技术应用 3. 1 施工工艺 通过在68306回风巷煤柱侧顶板岩体实施水力 压裂切顶卸压技术切断煤柱上部坚硬厚顶板，减小 侧向悬臂梁的长度，削弱或转移煤柱上覆的高应力， 降低煤柱的载荷，使68306底抽巷处于低应力区域， 从根本上改变巷道围岩的应力状态，达到卸压护巷 的效果。具体的技术施工工艺如下 1 采用横向切槽的特殊钻头，预制横向切槽- 2 采用跨式膨胀型封孔系统，利用手动泵为 封隔器加压使胶筒膨胀,达到封孔目的。 3 连接高压泵实施压裂，采用后退式单孔多 次压裂，同时采用数据采集仪采集压裂过程实时压 力，监测和指导施工。 4 压裂后，通过钻孔窥视设备和压力监测结 果评价压裂效果。 3. 2 水力压裂钻孔设计 压裂钻孔布置于68306回风巷靠煤柱侧顶板, 距帮1 m,钻孔间距为8〜10 m,钻孔长度为45 m, 穿过基本顶，仰角为35〜50,与巷道走向平行。压 裂钻孔施工钻头直径为56 mm,钻杆直径为42 mm。 水力压裂切顶卸压钻孔布置如图3所示。 a主视图 b左视图 图 3 力压 切 压 布置 Fig 3 Bor ehol el a y out of hy dr a ul icf r a ct ur in g r oof cutin g a n dpr essur er el ief 3. 3 现场试验结果 在杜儿坪煤矿68306工作面回风巷开展了水力 压裂切顶卸压护巷试验，沿巷道走向共布设试验钻 孔16组。为不影响工作面正常回采，水力切顶试验 段超前68306工作面50 m布置，采用ZDY1200S钻 机及配套钻机平台打设钻孔，采用90 k W高压水泵 ・102・ 工矿自动化 45 进行后退式单孔多次压裂，单孔每隔3 m压裂 一次,单次持续压裂时间为30 min ,压裂时相邻钻 孔出水则表明岩层裂隙贯通，压裂到距孔口 8 m处 停止压裂。其中封孔压力为12〜14 MPa ,注水压裂 压力为26〜32 MPa ,保压压力为17〜24 MPa。 试验钻孔压裂后采用窥视仪查看内部压裂情 况，如图4所示。在压裂过程中，为了实时监测试验 过程，利用矿用本质安全型KJ327 F水压致裂数据 采集仪实时显示和记录压力变化，其中一段水力压 裂过程压力变化数据如图5所示。图5中A即为 高压水泵注水增压阶段，随着压力不断增大，预裂缝 起裂后水压会有所下降。继而进入保压阶段，即图 中B所示，在该阶段，裂纹扩展的同时伴随着新裂 纹的产生。待裂隙充分扩展并与相邻钻孔连通后， 压力快速下降，进入卸压阶段，如图中C所示。此 外，从图5中还可看出，在保压阶段曲线呈现紧密锯 齿状，这种在保压范围内的压力波动即意味着裂隙 以相对稳定的速度不断地扩展和延伸。保压阶段压 力曲线上升和下降也能一定程度上反映压裂范围内 岩层性质的变化。 图4试验钻孔内部压裂效果 Fig .4 In t er n a l f r a ct ur in g efect of t est b or ehol e 45 -9 -181----1------1-----1-----1-----1 0700 0900 1100 1300 1500 1700 时间时-分 图5水力压裂压力监测曲线 Fig .5 Pr essur emon it or in g cur v esof hy dr a ul icf r a ct ur in g 68306工作面回风巷共计施工16个水力切顶 钻孔，长度为145 m。为了评价压裂效果，在底抽巷 共布置7个测点，定期测量巷道围岩变形情况，结果 见表2。从表2可看出，工作面推过70m后，在多 重动压影响下，底抽巷不同位置均出现了一定程度 的收缩变形，但是两帮和顶底板变形量分别控制在 12和20以内，表明通过水力切顶切断了回风巷 和区段煤柱的基本顶，阻止了采动应力向煤柱侧的 传递，从而减缓了煤柱下底抽巷受动压影响的程度， 起到了良好的卸压护巷效果。 表2水力切顶后动压影响下的底抽巷围岩变形情况 Ta b l e2 Sur r oun din g r ock def or ma t ion of f l oor g a s dr a in a g er oa dwa y afect edb y dy n a micpr essur ea f t er hy dr a ul icr oof cutin g 点 编号 /m相对变形量/ 两板两板 10. 18 0.304.1310.38 2 0 450.2711.725.19 3 0 370.509.2516.67 4 0 260.456.1918.75 50. 28 0.446.1514.33 6 0 230.435.3515.41 70. 15 0.373.4513.45 此外，68306回风巷顶板进行水力压裂切顶卸 压后，由于切断了巷道和煤柱基本顶的连接，随着工 作面的推进，在矿山压力作用下，上隅角顶板能够及 时垮落，转移了顶板应力，同时能够保证上隅角悬顶 面积不超过10 m2，避，避免了上隅角瓦斯积聚。 4结论结论 1 针对杜儿坪煤矿68306底抽巷受强烈动压 影响 重 一 两 回 风 煤 不采 板 施 力压 切 压护巷技术，切断了巷道和煤柱上方基本顶的连接, 阻断了工作面顶板压力向煤柱方向的传递，从而减 轻了底抽巷受压情况，降低了底抽巷变形量。试验 结果表明，实施水力压裂切顶卸压护巷技术后, 68306 明 降 低 两 和 板 量分别控制在12和20以内。与此同时，回风巷 施 力 切 工 作 隅 积 效控制，避免了上隅角瓦斯积聚。 2 水力压裂切顶卸压技术以其安全性高、施 工简单、成本低等优势，在解决本煤层及邻近煤层卸 压护巷、上隅角悬顶和瓦斯积聚等问题上具有良好 果和 。 参考文献References 1 -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,2017,45119. 2019年第10期董志勇煤矿井下水力压裂切顶卸压护巷技术应用研究・103・ KANG Hon g pu,FENG Ya n jun . Hy dr a ul ic f r a ct ur in g t echn ol og y a n d it s a ppl ica t ion sin st r a t a con t r ol in un der g r oun d coa l min es , J Coa l Scien ce a n d Techn ol og y ,2017,451 1-9. 2 -张有狮.煤矿井下水力压裂技术研究进展及展望[J-. 煤矿安全，2012,4312163172. ZHANG Youshi. Resea r ch pr og r ess a n d pr ospect of hy dr a ul ic f r a ct ur in g t echn ol og ies in coa l min e un der g r oun d[J]. Sa f et y in Coa l Min es, 2012,43 12 163172. 3-都海龙.回采工作面上隅角水力压裂切顶技术及其应 用[J-煤炭工程，2017,491286-92. DU Ha il on g Hy dr a ul ic r oof f r a ct ur in g t echn ol og y a n d it s a ppl ica t ion in upper cor n er of min in g f a ce]J-. Coa l En g in eer in g 2017,491286-928 [4 -于斌,段宏飞 寺厚煤层高强度综放开采水力压裂顶 板控制技术研究[J.岩石力学与工程学报，2014, 334778-7858 YU Bin, DUAN Hon g f ei. St udy of r oof con t r ol by hy dr a ul ic f r a ct ur in g in f ul l -mecha n ized ca v in g min in g wit h hig h st r en g t h ext r a -t hick coa l l a y er [J]. Chin ese Jour n a l of Rock Mecha n ics a n d En g in eer in g,2014, 334778-7858 [5 -梁华杰，张凤杰.石泉煤矿切顶卸压沿空留巷方案 [J]工矿自动化，2019,455104-10 LIANG Hua jie,ZHANG Fen g jie8Schemeof g ob -side en t r y r et a in in g b y cutin g r oof t or el ea sepr essur ef or Shiqua n Coa l Min e [ J ]. In dust r y a n d Min e Aut oma t ion 2019,45 5104-1088 [6 -王小龙，董志勇高瓦斯煤层切顶卸压无煤柱自成巷 技术应用研究[J]工矿自动化2019,45797101. WANG Xia ol on g, DONG Zhiy on g 8 Appl ica t ion r esea r ch on t echn ol og y of n on -pila r g ob-side en t r y r et a in in g f or medb y r oof cutin g a n dpr essur er el ea se in hig h g a s coa l sea m [J]. In dust r y a n d Min e Aut oma t ion 2019,45797-1018 [7-司浩浩坚硬顶板水力压裂与深孔爆破初次放顶技术 试验对比分析[J.煤炭与化工，2018,416810. SI Ha oha o Compa r a t iv e a n a l y sis of ha r d r oof hy dr a ul ic f r a ct ur in g a n d deep hol eb l a st in g f or f ir st ca v in g t est [J]. Coa l a n d Chemica l In dust r y , 2018, 4168-10. [8] 杨胜利定向水力压裂弱化坚硬顶板技术应用研究 山东煤炭科技20154163165. YANG Shen g l i. Appl ied r esea r ch of t he dir ect ion a l hy r a ul icf r a ct ur in g t echn ol og y in wea k en in g ha r r oof[J ].Sha n on g Coa l Scien ce a n Techn ol og y, 20154163-165. [9] 闫少宏，宁宇，康立军，等.用水力压裂处理坚硬顶板 的机制及试验研究煤炭学报，2000, 25 1 32-358 YAN Sha ohon g, NING Yu, KANG Lijun , et a l . The mecha n ismof hy dr ob r ea k a g et ocon t r ol ha r dr oof a n d it st est st udy[J] Jour n a l of Chin a Coa l Societ y 2000 25132-358 [0]黄炳香，赵兴龙，陈树亮，等.坚硬顶板水压致裂控制 理论与成套技术岩石力学与工程学报，2017, 36122954-29708 HUANG Bin g xia n gZHAO Xin g l on gCHEN Shul ia n g et a l 8Theor y a n dt echn ol og y of con t r olin g ha r dr oof wit hhy dr a ul icf r a ct ur in g in un der g r oun d min in g[J]8 Chin eseJour n a l of Rock Mecha n ics a n d En g in eer in g 2017 36122954-29708 [1]聂凤祥，郭海峰潘西煤矿低瓦斯煤层喷孔动力显现 规律研究工矿自动化2019,4531217. NIE Fen g xia n gGUO Ha if en g 8Resea r chon dy n a mic a ppea r a n cer eg ul a r it y of b l ow-out f r omdr ilin g hol ein l ow g a s coa l sea m of Pa n xiCoa l Min e[J]8In dust r y a n d Min eAut oma t ion 2019 45 3 12-178 [12]吴拥政，康红普.煤柱留巷定向水力压裂卸压机理及 试验煤炭学报，2017,42511301137. WU Yon g zhen g, KANG Hon g pu. Pr essur e r el ief mecha n ism a n d exper imen t of dir ect ion a l hy dr a ul ic f r a ct ur in g in r eusedcoa l pila r r oa dwa y[J] Jour n a l of Chin a Coa l Societ y 20174251130-1137 [3]郭志O，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，2016,45 5 879-885 GUO Zhibia oWANG Jia n gCAO Tia n peiet a l Resea r ch on k ey pa r a met er s of g ob-side en t r y r et a in in g a ut oma t icaly f or med by r oof cu tin g a n d pr essur er el ea sein t hin coa l sea m min in g[J] Jour n a l of Chin a Un iv er sit y of Min in g Techn ol og y , 2016 , 455879-885