冲击地压矿井水射流联合水力压裂宽煤柱卸压技术研究.pdf

煤炭工程 第 52卷第 6期 COAL ENGINEERING Vo l. 52, No . 6 doi 10. 11799/c e202006018 冲击地压矿井水射流联合水力压裂宽 煤柱卸压技术研究 庞立宁-刘毅涛2,邸晟钧彳，苏士杰役丁国利’姜峰 1天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013； 2.乌审旗蒙大矿业有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯017307； 3.山西焦煤集团有限责任公司，山西太原030053； 4.中天合创能源有限责任公司葫芦素煤矿，内蒙古鄂尔多斯017000； 5.中煤西北能源有限公司，内蒙古鄂尔多斯017200 摘要针对冲击地压矿井宽煤柱会积聚大量弹性能从而容易引起地压灾害事故的问题，基于 理论分析和现场试验，对葫芦素煤矿21103工作面区段煤柱进行了 “钻-切-压” 一体化卸压技术研 究，通过布置钻孔进行射流切缝和压裂对区段煤柱弱化卸压，增大了区段煤柱内塑性区宽度，减少 了弹性能量积聚，同时为减少煤柱卸压对巷道支护产生的负面影响，在21103工作面临空回风巷进 行了定向水力压裂切顶，减少了侧向采空区悬露顶板向区段煤柱上的应力传递。“钻-切-压” 一体 化卸压技术与定向水力压裂切顶技术的联合应用，在21103工作面临空回风巷内取得了良好的实践 效果，解决了区段煤柱内塑性区宽度增加同时对巷道支护不利这一矛盾。 关键词冲击地压；“钻-切-压” 一体化卸压技术；弹性能积聚；定向水力压裂；巷道支护 中图分类号TD32 文献标识码A 文章编号1671-0959202006-0081-05 Stress relieving of wide coal pillar using hydraulic fracturing and water jet in rock burst mine PANG Li-ning1 , LIU Yitao2, DI Sh engjun3, SU Sh ijie4 , DING Guoli4 , JIANG Feng5 1. Coal Mining and Designing Depar tment, Tiand i Sc ienc e and Tec h nology Co. , Ltd . , Beijing 100013 , Ch ina； 2. Wush en Banner Mengd a Mining Co. , Ltd . , Or d os 017307, Ch ina； 3. Sh anx i Coking Coal Gr oup Co. , Ltd . , Taiyuan, 030053 ； 4. Zh ongtian Hec h uang Hulusu Coal Mine, Inner Mongolia Or d os 017000, Ch ina； 5. Ch ina Coal Nor th west Ener gy Co. , Ltd . , Or d os 017200, Ch ina Abstract As elastic ener gy c an ac c umulate insid e wid e c oal pillar s in r oc k bur st mine and c ause r oc k bur sting d isaster , th eor etic al analysis and field test ar e c ar r ied out, to stud y th e d r illing-c utting-fr ac tur ing integr ated str ess r elieving tec h nology for th e c oal pillar s of 21103 wor king fac e in Hulusu Coal Mine. Th r ough ar r anging d r illing h oles, jet c utting and fr ac tur ing, th e sec tion c oal pillar s ar e weakened and th e plastic zone wid ened, wh ic h r ed uc es th e elastic ener gy ac c umulation. And in or d er to r ed uc e th e negative impac t of str ess r elieving on r oad way suppor t, d ir ec tional h yd r aulic fr ac tur ing r oof c utting is c ar r ied out in 21003 wor king fac e air r etur n way, wh ic h r ed uc es th e str ess of sec tion c oal pillar tr ansfer r ed fr om h anging r oof in later al goaf. Th e c ombined applic ation of d r illing-c utting-fr ac tur ing integr ated str ess r elieving and d ir ec tional h yd r aulic fr ac tur ing r oof c utting h as ac h ieved favor able r esults in 21003 gob-sid e air r etur n way, and solved th e c ontr ad ic tion th at th e wid ening plastic 收稿日期2019-07-17 基金项目深部冲击地压动静载分源防控技术与装备2017YFC0804204；中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金 专项面上项目2018MS020 作者简介庞立宁1990,男，河北临城人，硕士，助理研究员，现主要从事采煤方法和矿山压力等方面的研究， E-mail 2926167880 qq. c omo 引用格式庞立宁，刘毅涛，邸晟钧，等.冲击地压矿井水射流联合水力压裂宽煤柱卸压技术研究[J].煤炭工程， 2020, 526 81-85. 81 施工技术煤炭工程2020年第6期 zone in sec tion pillar is d isad vantageous to r oad way suppor t. Keywords r oc k bur st ； d r illing - c utting - fr ac tur ing integr ated pr essur e r elief tec h nology ； elastic ener gy ac c umulation； d ir ec tional h yd r aulic fr ac tur ing r oof c utting； r oad way suppor t 中天合创能源有限责任公司葫芦素煤矿21103工作 面开采2-1煤，煤层平均厚度2.54m,工作面采深634 643m,自重应力大。经鉴定，煤层及顶板均具有冲击 倾向性，尤其煤层顶板多为厚硬的砂岩，在煤层采空后 极易悬顶，导致采空区周边巷道发生应力叠加。受邻近 21102工作面采空区影响，21103工作面回风巷矿压显 现剧烈，导致回风巷在21102工作面后方开始出现大变 形，主要表现为强烈底鼓、顶板下沉，局部破坏具有冲 击地压特征。加之21103工作面开采时，二次采动导致 回风巷矿压显现更为剧烈，临空侧超前段巷道变形严 重，影响巷道正常使用，同时冲击地压风险日益突出。 21103工作面回采时，工作面后方的煤柱即将成为孤岛 煤柱，加之211021作面采空区侧向支承压力的影响, 在现有煤柱宽度下，会积聚较大的弹性能，存在冲击地 压危险。针对以上情况，进行“钻-切-压” 一体化卸 压技术研究，减少了 21103工作面回风巷区段煤柱内弹 性能积聚，同时为了减少煤柱卸压对巷道支护产生的负 表121103工作面顶底板岩性表 顶底板岩石名称厚度/m岩性特征 直接顶 粉砂岩/ 3.8-14. 38 浅灰色，致密状，以石英为主，长石次之，平坦状断口，钙质胶结，波状层理，含大量植物化 泥质砂岩石碎片 伪顶砂质泥岩/泥岩0.2-0. 5灰黑色，具水平层理，含植物化石碎片，泥质胶结，局部夹粉砂岩及煤线 2-1煤呈黑色，条痕为褐黑色，强沥青光泽，阶梯状断口，内生裂隙较发育，常为黄铁矿及方 2-1煤层煤2.3-2. 93 解石薄膜充填，煤层中见黄铁矿结核。宏观岩组分以亮煤为主，次为暗煤，见丝炭，属半亮型 煤。21104 T作面煤厚约为2.3-2. 93m,平均厚度约2. 62m，该煤层结构简单，一般不含夹肝或 局部含13层夹肝 直接底 砂质泥岩 5.69-12. 15 浅灰色，致密，平坦状断口，以石英为主，长石次之，钙质胶结，水平层理，含大量植物化石 /细砂岩碎片，中部夹煤线 图1 21103 I作面位置示意图 2区段煤柱弱化卸压机理 根据矿山压力理论“压力拱假说”，在采场上 方，由于岩层自然平衡的结果，会形成一个“压力 拱”，压力拱拱脚位置为应力增高区，压力拱下方区 域为减压区。在对煤柱弱化前，21103工作面与 21102工作面之间的区段煤柱内会承受较大的侧向 面影响，进行了定向水力压裂切顶来减少顶板岩层向煤 柱上的应力传递。 1工作面概况 21103工作面为综合机械化一次采全高工作面, 开采2-1煤，煤厚约为2. 302. 93m，该煤层结构 简单，呈大型的宽缓波状起伏，地层倾角一般在 为近水平煤层，煤层普氏硬度系数/2.5。 煤层结构整体简单，局部含一层至两层夹肝，夹肝 岩性一般以砂质泥岩为主，存在有中、细粒砂岩的 情况，工作面顶底板岩性见表1。21103 1作面共沿 煤层顶板布置3条巷道主运巷，辅运巷，回风巷 （断面尺寸5.4mx3.35m）,支护方式均采用“锚杆 锚索钢筋梯子梁金属网”。21103 I作面一侧为 21102 I作面采空区，一侧为21104 I作面，21103 工作面与21102工作面和21104工作面之间存在 30m宽的区段煤柱，如图1所示。 支承压力，积聚较大的弹性能，该位置处于压力拱 拱脚位置，对煤柱进行弱化后，煤柱内塑性变形区 范围增加，应力会向围岩深部转移，压力拱拱脚外 移，此时可以减少区段煤柱内的弹性能积聚I34]O 在区段煤柱内进行水射流切缝扩孔在一定程度 上可以破坏煤体完整性，射流切缝扩孔产生的空间 为煤柱内积聚的弹性能提供了释放空间〔25〕。 区段煤柱内煤体完整性遭到破坏之后压力拱脚 外移后，21103 I作面回风巷回采侧煤帮内部，会 出现应力集中现象，为防止临近21103 X作面回风 巷的21103 I作面煤体弹性能积聚，减少21103工 作面回风巷冲击地压危害程度，也需对21103 I作 面回风巷回采帮煤体进行弱化，使得高应力向工作 82 2020年第6期煤炭工程 施工技术 面深部转移，从而使得高应力区远离21103工作面 回风巷。根据此思路，制定以下弱化方案。 3区段煤柱弱化方案与实施效果 3.1区段煤柱弱化方案设计 3. 1. 1工艺参数确定 基于不同煤矿地质条件下水力压裂致裂区域大小 是不同的这一现实情况，为了保证21103工作面回风 巷的水力压裂效果，在21103 X作面回风巷未受采动 影响区域进行了现场试验，并以此确定“钻-切-压” 一体化卸压技术工艺参数，通过现场监测发现，葫芦 素煤矿21103工作面回风巷附近区域水力压裂扩散半 径达1215m,因此确定煤层压裂孔间距为24m。煤 层压裂孔和煤层切缝孔深度的确定是基于两方面原 因①21103工作面回风巷煤柱帮安装的应力计显示 5 12m为应力集中区，应力峰值位于8m处；②现场 试验打钻过程中也发现，钻孔打至5m时，钻屑量明 显增加，一直到12m时，钻屑量才降下来，这说明 15m深钻孔足以穿透应力峰值区。 3. 1.2弱化方案 如图2所示，在巷道两帮布置钻孔进行水力压 裂，形成大范围煤层破裂区，钻孔直径75mm,孔深 15m,孔间距24m,垂直于巷帮布置，每孔压裂2 次，采用封隔器压裂。水力压裂对煤体进行了初步 弱化，而后在压裂孔之间进行钻孔射流切缝扩孔在 初步弱化煤体内进行射流切缝扩孔的效果优于坚硬 完整煤体，具体步骤为射流钻孔布置完毕后，在 不退钻杆的情况下，实现定点高压水射流切缝，钻 孔直径127mm,孔深15m,孔间距6m,割缝条数3 条/孔，缝间距4m,浅部切缝距离巷道表面7m。 3.2区段煤柱“钻-切-压”效果检验 3. 2. 1水压监测 为了分析裂隙扩展情况，采用专用高压记录仪 对水力压裂过程中压裂压力的变化情况进行了实时 监测。水压数据监测结果表明，水力压裂过程中泵 压最高时可达45MPa,这说明部分地点煤体致密、 强度较高、完整性好。水压曲线总体呈现三种形态 21103回风巷某一压裂孔压裂曲线如图3a所 示，压裂初期存在一次压力降，加压约4min后压力 骤降7MPa,同时15m外钻孔开始出水，之后继续加 压，压力上升不明显，附近钻孔持续出水。 压裂孔2压裂曲线如图3b所示，第一次增压 至30MPa,维持约lmin后压力骤降12MPa,表明裂 图2煤帮“钻-切-压” 一体化卸压方案 煤层压裂 g f 史丄忖疋小裟| 1/1 1 A OOniT 丿\-- 1 1j 乡丁.9 之皿仝 “ ./ L 回风巷 煤层 煤层 切灌孔压餐孔 6m 「 4 oo 1 卽出1剧坦甜1虽1 回风巷 1 90419 90712 91005 91258 91550 91843 时间/时分 a压裂孔1 时间/时分 b压裂孑L2 时间/时分 c压裂孔3 图3水力压裂过程水压监测曲线 缝第一次扩展；第二次增压至41MPa,之后骤降 15MPa,表明裂纹第二次扩展；第三次增压至 39MPa,之后骤降至23MPa,表明裂缝第四次扩展， 约2min后，裂缝再次大幅扩展，压力骤降至0；之 后再次增压无效。 压裂孔3压裂曲线如图3c 所示，压力增加至 83 施工技术煤炭工程2020年第6期 30MPa左右后，保持了 30min的稳定状态，压裂曲 线基本平直。这表明裂缝稳步扩展，并形成了稳定 水流扩展通道。 在水力压裂过程中，能观测到致裂孔两侧钻孔 持续流水，说明钻孔之间煤体已经被水力压裂产生 的裂隙所弱化。 3.2.2钻孔窥视 为了掌握钻孔内射流效果，采用钻孔窥视仪对 煤体“钻_切_压”钻孔进行了窥视，如图4所示。 通过钻孔窥视结果可以看出，高压水射流可以在煤 体内产生宽度46mm的人工切缝，人工射流切缝的 环向宽度也比较均匀。与之形成鲜明对比的是，自 然裂缝的宽度较小，且宽度不均匀。 图4水射流切缝效果 煤层钻孔后，利用高压水射流技术孔内切缝扩 孔，大幅提高单孔卸压范围和强度，在减少对巷道 支护段的破坏的同时，实现深部高应力区强力卸压, “钻孔-压裂-切缝组合工艺”可最大限度的弱化煤 体强度，卸压效率是常规钻孔的数倍以上，尤其适 用于坚硬冲击地压煤层。 21103 1作面回风巷区段煤柱弱化后，势必会 对21103工作面回风巷临空煤柱侧支护产生负面影 响，为了改善巷道支护环境，可进行定向水力压裂 切顶来减少顶板岩层向煤柱上的应力传递。 4临空煤柱切顶卸压机理 由于受到采空区侧向悬顶（悬臂梁结构）自重及 弯曲下沉产生的高附加应力的影响，临采空区煤柱 始终处于高应力状态。影响临采空区煤柱内支承压 力水平的主要因素有采空区侧向悬顶块体B的长 度厚度（直接影响悬臂块体在采空区悬露部分的自 重）、悬臂块体B受到的与其形成较接结构的岩块C 84 给其的较接反力。临采空区巷道顶板大深度定 向水力压裂切顶卸压技术手段，通过设计合理的定 向水力压裂参数，可以切断临空煤柱侧向悬顶，从 而阻断向临采空区煤柱传递高应力的力源，缓和了 临采空区煤柱的应力环境，降低了临空煤柱上的支 承压力[16],切顶卸压原理如图6所示；同时定向水 力压裂切落下的冒落肝石会充填部分采空区，减少 了上覆高位岩层的回转空间，支撑了上覆呈“长悬 臂梁”结构的高位岩层，某种程度上降低了复合 “悬臂梁-较接岩梁”结构内C岩块对B岩块的较接 反力，定向水力压裂切顶卸压前后临采空区煤柱上 方和侧向顶板覆岩结构特征如图5和6所示。其中 K代表肝石压缩刚度，S「代表“悬臂长梁”结构岩 块B的下伏肝石压缩量，S代表与悬臂岩块B呈較 接结构的岩块C的下伏肝石压缩量。 （a）切顷卸压前顶板结构示意图 （ （b）切顶卸压后顶板结构示意图 图6切顶卸压原理图 国内外研究及应用表明，采用定向水力压裂技 术可在巷道高应力岩层中形成一个弱化带，从而削 弱巷道周围的高应力或将高应力转移到远离巷道的 煤岩体，缓解侧向和残余支承压力对采区巷道稳定 2020年第6期煤炭工程施工技术 性的影响，达到巷道卸压、缓解片帮和底鼓的目的。 5临空煤柱切顶卸压方案与实施效果 5.1临空煤柱切顶卸压方案设计 为了确定顶板中水力压裂扩散半径，在距超前工 作面约600m以外21103主运巷顶板较完整区域布置 了不同深度试验压裂孔和检测孔进行了压裂效果检 验，浅孔孔深15m压裂效果检验表明，单次压裂半 径约915m,多次压裂半径约15m,深孔压裂效果检 验表明，顶板往上3050m范围压裂时，裂隙扩展半 径大于7. 5m,因此确定水力压裂切顶孔孔间距15m。 针对21102采空区坚硬悬顶，采用高压水泵配合 专用高压切缝钻杆、高圧封隔器，进行超前定向水力 压裂切顶。定向水力压裂切顶孔单排布置，倾角分为 两种一种倾角45。，孔深57m,在57m和43m位置 射流切缝；一种倾角30。，孔深46m,在46m和34m 位置射流切缝。两种切顶孔孔径均60mm,孔间距 15m,定向水力压裂切顶孔布置如图7所示。 图7 21103 T作面回风巷定向水力压裂切顶孔布置图 5.2临空煤柱切顶卸压实施效果 在切顶卸压前，在采空区侧向悬顶的影响下, 21103回风巷11“应力计应力值持续升高，如图8所 示，在进行了定向水力压裂切顶之后，该区域煤层应 力值降幅达到6〜lOMPa,表明切顶卸压效果显著。 6效果监测 1 对区段煤柱和回采侧煤体弱化前后应力的变 化情况进行了对比分析，发现弱化后弱化区域内应 力有了明显降低，应力峰值降幅可达6〜lOMPa。 2 同时对21103 1作面回风巷内顶底板和两帮 变形量进行了观测对比，发现临空煤柱切顶区域的 巷道顶底板围岩变形量明显减小，两帮移近量平均 减小210mm,顶底板移近量平均减小290mmo这说 明，区段煤柱弱化和临空煤柱切顶卸压技术方案取 得了良好的效果。 参考文献 [1] 段瑞.水压致裂切顶卸压在治理临空巷道动压变形的应用 [J].煤,2019, 281 58-59. [2] 许建平.干河煤矿2-209工作面副巷超前水力压裂切顶卸压 技术实践[J].煤矿现代化,20193 33-36. [3] 杨达明，郭文兵，于秋鸽，等.浅埋近水平煤层采场覆岩压 力拱结构特性及演化机制分析[J].采矿与安全工程学报， 2019, 362 323-330. [4] 杨皓博，李仕牧，王 帅，等.基于压力拱理论破碎围岩巷 道结构失稳研究[J].中国煤炭，2019, 454, 61-65. [5] 吴拥政，康红普煤柱留巷定向水力压裂卸压机理及试验 [JJ.煤炭学报，2017, 425 1130-1137. [6] 冯彦军.神东矿区旺采丁作面顶板岩层水力压裂控制技术研 究[J]煤矿开采,2018, 234 81-84. [7] 髙富强，康红普，林 健.深部巷道围岩分区破裂化数值模 拟[J].煤炭学报,2010, 35 1 21-25. [8] 闫少宏，尹希文，许红杰，等.大采高综采顶板短悬臂梁- 铉接岩梁结构与支架工作阻力的确定[J]煤炭学报， 2011, 3611 1816-1820. [9] 徐冈9,宁宇，闫少宏.工作面上覆岩层蠕变活动对支架 工作阻力的影响[J].煤炭学报，2016. 41 6 1354-1359. [10] 潘俊锋煤矿冲击地压启动理论及其成套技术体系研究 [J].煤炭学报，2019, 441 173-182. [11] 潘俊锋，刘少虹，秦子盼，等.深部盘区巷道群集中静载荷 型冲击地压机理与防治[J].煤炭学报.2018, 4310 2679-2686. [12] 潘俊锋，王书文，刘少虹，等.双巷布置工作面外围巷道冲 击地压启动机理[JJ.采矿与安全工程学报，2018, 35 2 291-298. [13] 赵洪宝，潘卫东，汪昕.矿井冲击地压发生机理及简化力 学模型[J].煤炭工程，2012, 449 77-79. [14] 秦子皓，潘俊锋.新兴煤矿工作面冲击地压发生机理研究 [J].煤炭工程,2011, 437 64- 66. 责任编辑苏越 85