煤柱留巷水力压裂参数对卸压效果的影响.pdf

工矿自动化 Indus t ryand MineAut o mat io n 第46卷第8期 2020年8月 Vo l.46No .8 Aug.2020 扫码移动阅读 文章编号1671-251X202008-0058-06 DOI10. 13272/j. issn. 1671-251x . 2020060081 煤柱留巷水力压裂参数对卸压效果的影响 张镇1234 1.中煤科工开采研究院有限公司％％北京100013 2. Co al Mining and Designing Depart ment , Tiandi Sc ienc e and Tec hno lo gy Co . , Lt d. , Beijing 100013, China; 3. China Co al Tec hno lo gy and Engineering Gro up Co . , Lt d. , Beijing 100013 , China; 4. St at e Key Labo rat o ry o f Co al Mining and Clean Ut ilizat io n , Beijing 100013 , China Abstract Hydraulic frac t uring pressure relief t ec hno lo gy is used t o c o nt ro l surro unding ro c k defo rma t io no freusedc o alpilarro a dwa y.Ino rdert o det ermineparamet erso fhydra ulic frac t uring,43122 reusedc o alpilarro adwa yo fChangpingCo alMineo fSha nx iJinc hengAnt hrac it eMiningGro upCo .,Lt d. wa st akenas res earc ho bjec t ,influenc eo ffra c t uringt imesandfrac t uringpo sit io nso npressurereliefefec t werenumeric alysimulat edb yuseo fplanedisc ret eelement UDECs o ft wa re.Theres ult s s ho wt ha t t he lo ngert hefrac t uringsegment lengt his,t helesst hec o rrespo ndingfrac t uringt imeswilbe,andt heweaker t heefec t o fhydraulic frac t uring o nro o f wil be. Frac t uring segment lengt h sho uld no t ex c eed 4 m. Frac t uringbo reho lewilinc rea sest resso fc o a lpilarwhenit is lo c at edat c o alpilarsideo flo wersec t io n wo rkingfa c e,a ndreduc est resso fc o alpilarwhenit is lo c at edat go afs ideo fuppers ec t io n wo rkingfac e andabo vet hec o alpilar,andpres s urereliefefec t ist hemo st o bvio uswhenfra c t uringbo reho leislo c at ed 收稿日期收稿日期2020-06-29；修回日期修回日期 2020-08-08；责任编辑责任编辑盛男。 基金项目基金项目国家自然科学基金面上项目“1774186中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金面上项目“018MS021天地科技幵采设计 事业部科技创新基金项目KJ-2018-TDKCZL-12。 作者简介作者简介张镇1980-，男，山东齐河人，副研究员，博士，主要从事巷道矿压理论与围岩控制方面的研究工作,E-ma ilc c rizhen126. c o m。 引用格式引用格式张镇.煤柱留巷水力压裂参数对卸压效果的影响工矿自动化，2020,46858-63 ZHANG Zhen. Influenc e o f hydraulic frac t uring paramet ers o f reused c o al pillar ro adway o n press ure relief effec t ,-. Indust ry and MineAut o mat io n202046858-63. 2020 8 张镇煤柱留巷水力压裂参数对卸压效果的影响 ・59・ at go af side o f upper sec t io n wo rking fac e. The hydraulic frac t uring paramet ers det ermined by numeric al simulat io n result s were t est ed in field, t he result s sho w t hat aft er hydraulic frac t uring is used fo r pressure reliefY defo rmat io n st abilit y perio d o f surro unding ro c k o f reused c o al pillar ro adway is 33.3 sho rt er t han t hat o f no n-frac t ured ro adway, and displac ement o f ro o f and flo o r and t wo side walls o f reused c o al pillar ro adway is 63.5 and 45.5 lo wer t han t hat o f no n-frac t ured ro adway, whic h indic at es defo rmat io n o f surro unding ro c k o f reused c o al pillar ro adway dec reased signific ant ly. Key words reused c o al pillar ro adway; hydraulic frac t uring; defo rmat io n o f surro unding ro c k; pressure relief; frac t uring t imes; frac t uring po sit io n 0引言引言 煤柱留巷要经受相邻工作面和本工作面二次采 动 ，强烈动压 柱留 形控制是一大 难题。随着 . 锚杆支护技术 L 极大程度上 柱留 支护 「注， 但单纯采用支护法难以 控制复杂 围 形，还需要 围岩进 压以降低动压影 响。水力压 压技术通过切断 上部悬 , 周边形成 ，从而 过高动 F 移，达到减小围 形与 「7心，该技术以 、弱化范围大等优势得到广 。 等如0-分析 矿 定向 压 围） 机理，开发 矿 压裂技术与装备， 并 矿区进 推广 黄炳香等11-13］通 过真三轴水力压 研究了围岩主 、排量、 层面与原生裂隙 压 ，提出 坚 压裂定向 控制技术， 坚 。吴拥政等「⑷通过煤矿砂岩真 轴定向 压 分析 压 律，并引 定向偏 念（预制切槽 向定向 不发生偏 离 定向压裂 ，分析了水平 定向偏 。冯 彦军等“17-分析了不 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 流 向切槽 压 偏 。前人 压 压机理、旷 与控制和 备工艺进 大量研究，但有关 压 压 研究 。本文采 及现场 ，分析 压 亍 压 、压 压 ，为水力压 压技术 供 。 1研究背景研究背景 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 mo 该工作面采用三巷布置方式，如图1所示。43121 进风巷.3123进风巷为一次使用巷道；43122回风 为煤柱留 ，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 布置，采 锚 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。 43121进风巷 煤柱 43122回风巷 4310工作面Y- 43123进风巷 4312X作面 图1工作面巷道布置 Fig 1 Ro adwaylayo ut o fwo rkingfac e 工作 层平 为5.52 m,平均单轴抗压 强度为14. 57 MPa；直接顶为泥岩，平 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 为10.64 m,平均单轴 压强 度为34. 42 MPa。基本顶厚度大、完 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 ，对煤柱产生较大动 , 柱应 ，煤，煤柱留巷出现大变形。 2数值模拟数值模拟 2.1 模型建立 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 mX440. 5 m （长X高），模型底边固定水平和垂直位移，侧边固定 图2数值模拟模型 Fig 2 Numeric alsimulat io n mo del ・60・ 工矿自动化 46 水平位移，顶部为地表。水力压裂裂缝垂直于钻孔 岩层参数见表1。水力压裂裂缝参数法向刚 轴线并向两 ，裂缝长度为10 m,沿水力压裂 度为30 GPa /m；剪 为12 GPa /m；内摩擦角 分布。 为20,黏聚力和抗拉 为0。 表1岩层参数 Table1 Ro c kst rat aparamet ers 岩层 厚度/ m / kg ・ m3 弹性模量/ GPa 泊松比 法向刚度/ GPa ・ m1 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. 1 2300200 2696190934 0. 032 顶板中粒砂岩10. 6 2600 20. 0 0 2596 019 21836 0. 800 顶板泥岩3. 8 2500700 2633 6670231 0. 012 煤层 551400140 2867130130 0. 004 底板泥岩20. 0 256093 0. 27 44 6890934 0. 032 上覆岩层 394 52000370 25 17. 8 360533 0. 420 2. 2 压裂次数对卸压效果的影响 层 ，为充分破坏顶板的完整性, 一压 内实施分 压裂，如图3所 示。压裂分段长度即相邻压裂段的间隔长度，用 压 。压裂分段长度长，表明压裂次数 ;压裂分段长 ，表明压 。压 太 少则 不充分，难以达到较好 压 ；压裂次 数过多会 施工工作量， 出现压 通造成的压 不良。结合工程 模拟选用的压裂分段长度分别为2,4,8 m。 巷道 图3钻孔分段压裂 Fig 3 St a gedfrac t uringo fbo reho le 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 压裂区围岩支承 如 图4 所示。 压 回采工作 ， 工作 离为正；当压 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 平 ，回采 工作面推进至压 ，压裂区围岩支承应 ;当压裂分段长度分别为2,4 m时，压 区围岩支承 无压 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 无压裂比 升高, 幅度为1.85。当压裂分段长 F小 Fig 4 Variat io nc urveso fa but ment s t resso fsurro unding ro c kinfrac t uredzo neunderdiferent frac t uring segment lengt hs 时,相应压 ，在围岩中产生的裂隙较多； 当压裂分段长 大时,相应压 ，在围岩 中造成 隙互不贯通，由此形成 隙围岩可能 形成某种结构，导致压裂区围岩支承 无压裂 略 。因此，为 压 ，压裂分段长度不宜过大，以不超过4 m为宜。 2. 3 压裂钻孔位置对卸压效果的影响 煤柱留巷水力压 压作业一般在回采巷道进 行，可选压 为上区段工作面采空区侧、煤 柱上方和下区段工作 柱侧，如图5所示。 图5 压 Fig 5 Frac t uringbo reho lelo c at io ns 2020 8 张镇煤柱留巷水力压裂参数对卸压效果的影响 ・61・ 设置压裂分段长度为2 m。上区段工作面回米 后，不同压 柱 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。 亠无压裂 -压裂钻孔位于上区段工作面采空区侧 深孔 图6不同压 柱 线 Fig.6 Varia t io nc urveso fc o alpilars t ressunder diferent frac t uringbo reho lelo c at io ns 从图6可看出，压 区段工作面煤 柱 ，压裂后煤柱 无压 ，升高幅度 最大为4.1 ；压 上区段工作面采空区 和煤柱上 ，压裂后煤柱应力较无压 「均有 所降低，其中压 上区段工作面采空区侧 柱 低幅度最大，达14.6。 3现场试验现场试验 3.1 力 压 压 水力压 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 压试验段 长度为320 m。压 布 ，采用深 双 布 ，如图7所示。深 柱帮 1 m,孔径为56 mm,孔深为60 m,钻孔轴向水平投 影与 走向夹角为5， 为70。； 幵孔 柱帮向 内施工，孔径为56 mm, 深为16 m,钻孔轴向水平投影与 走向垂直, 为70。深 . 为10 m,深 与 错布置，交错距离为5 m。 采用3ZSB80/62-90型煤矿专用咼压注水泵, 额定 压力为62 MPa,压裂分段长度为2〜3 m, 根 场条件适当调节，每段压裂30 min。水力压 施工工艺流程 文献本文不再赘述。 3.2 压效果 柱留巷43122回风巷压裂试验段和非压裂 分别布置巷道表面位移测站，对4312工作面 柱留 移近量和两帮移近量进 ，结 如图8所示。 站超前工作面时，距工作 [ 5 浅孔 70] 煤 柱 43121 进风巷 4312工作面 釆空区 Fig.7 600 Layo ut o fhydraulic frac t uringbo reho les 500 100 c B-B剖面 水力压裂钻孔布置 *两帮移近量 顶底板移近量 |400 呱300 I 200 图7 0 25 -25 -75 -125 -175 -225 -275 -325 -375 距工作面距离/m *两帮移近量 顶底板移近量 350 300 250 € 200 150 100 50 a 非压裂试验段 b压裂试验段 100 50 0 -50 -100 -150 -200 -250 -300 距工作面距离/m 图8 移 线 Fig. 8 Ro adway surfac e displac ement mo nit o ring c urves 62 工矿自动化 46 离为正；当测站滞后工作面时，距工作面距离为负’ 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 后 200 m 定， 移 近 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 4结论结论 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， 柱留 移近 和两 移近 压 分 别降低63.5和45.5，煤柱留巷围岩变形量显著 减才、。 参考文献References [1-康红普，姜鹏飞，黄炳香，等煤矿千米深井巷道围岩 支护-改性-卸压协同控制技术[J-煤炭学报，，020, 453845-864. KANG Ho ngpu JIANG Pengfei HUANG Bingx ianget a l Ro adway st rat a c o nt ro l t ec hno lo gy by means o f bo lt ing-mo dific at io n-dest ressing in synergy in 1 000 m deep c o al mines [ J]. Jo urnal o f ChinaCo alSo c iet y2020453845-864 [2]康红普，徐刚，王彪谋，等.我国煤炭开采与岩层控制 技术发展40 a及展望[ J]采矿与岩层控制工程学报， ， 2019127-39. KANG Ho ngpuXU GangWANG Biao mo uet a l Fo rt y years develo pment and pro spec t s o f undergro und c o al mining and st rat a c o nt ro l t ec hno lo gies in China [ J]. Jo urnal o f Mining and St rat a Co nt ro l Engineering 2019 127-39 [3] 康红普.我国煤矿巷道锚杆支护技术发展60年及展 望[J]中国矿业大学学报，2016,45610711081. KANG Ho ngpu Six t y years develo pment and pro spec t s o fro c kbo lt ingt ec hno lo gyfo rundergro und c o alminero adwa ysin China [J ] Jo urnalo f China Universit yo f Mining j Tec hno lo gy201645 6 1071-1081 [4] 康红普，范明建，高富强，等.超千米深井巷道围岩变 形特征与支护技术岩石力学与工程学报，，015, 34112227-2241 KANG Ho ngpu,FAN Mingjian, GAO Fuqiang, et al. Defo rmat io n and suppo rt o f ro c k ro adway at dept h mo ret han1000 met ers[J] ChineseJo urnalo fRo c k Mec hanic s andEngineering 2015 34112227-2241 [5 -康红普，王金华，林健.煤矿巷道支护技术的研究与应 [J] 学报 2010 35111809-1814 KANG Ho ngpuWANG JinhuaLIN Jian St udyand applic at io ns o f ro adway suppo rt t ec hniques fo r c o al mines[J].Jo urnalo f China Co a lSo c iet y201035 111809-1814. [6 -康红普，林健，吴拥政全断面高预应力强力锚索支护 技术及其在动压巷道中的应用煤炭学报,009, 3491153-1159. KANG Ho ngpuLIN JianWU Yo ngzheng.High pret ensio ned st ress and int ensive c able bo lt ing t ec hno lo gyset infulsec t io nanda pplic a t io ninent ry afec t ed by dynamic pressure[J].Jo urnalo f China Co al So c iet y 2009 3491153-1159. [7-吴拥政.回采工作面双巷布置留巷定向水力压裂卸压 机理研究及应用[D]北京煤炭科学研究总 院，2018 WU Yo ngzheng7St udy o n de-st ress ing mec hanism o f direc t io nalhydraulic frac t uringt o c o nt ro ldefo rmat io n o f reused ro adway in lo ngwal mining wit h t wo gat ero adlayo ut andit so nsit eprac t ic es[D]7Beijing China Co alRes earc hIns t it ut e20187 [8 ] 拥政 7 柱留 定向 压 压机 及 试验[J]煤炭学报，2017,42511301137. WU Yo ngzhengKANG Ho ngpu7Pres sure relief mec hanism and ex periment o f direc t io nal hydraulic fra c t uringinreusedc o alpilarro a dway[J].Jo urnalo f ChinaCo alSo c iet y20174251130-1137. [9 -康红普，冯彦军煤矿井下水力压裂技术及在围岩控 制中 [J]. 科学技术 2017 4511-9. KANG Ho ngpuFENG Yanjun.Hydraulic frac t uring t ec hno lo gyandit s applic at io nsin st rat a c o nt ro lin undergro und c o al mines [J ].Co a l Sc ienc e and 2020 8 张镇煤柱留巷水力压裂参数对卸压效果的影响 ・63・ Tec hno lo gy, 2017,451 1-9. [ 10- KANG Ho ngpu,LYU Hua wen, GAO Fuqiang, et al. Underst .nding mec h.nisms o f dest ressing mining- induc ed st resses using hydraulic frac t uring [ J Int ernat io nal Jo urnal o f Co al Geo lo gy, 2018, 196 19-28. ,1-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，2017,36 122954-2970. HUANG Bingx iang, ZHAO Xinglo ng, CHEN Shuliang et al. Theo ry and t ec hno lo gy o f c o nt roling hardro o f wit h hydra ulic frac t uringin undergro und mining,-. Chinese Jo urnal o f Ro c k Mec hanic s and Engineering 2017 3612 2954-29707 [ 12-黄炳香，王友壮.顶板钻孔割缝导向水压裂缝扩展的 现场试验煤炭学报2015,4092002-200 HUANG Bingx iang WANG Yo uzhuang7 Field invest igat io n o n c rac k pro pagat io n o f direc t io nal hydraulic frac t uring in hard ro o f,-. Jo urnal o f China Co alSo c iet y 2015 4092002-2008. ,3-黄炳香，程庆迎，刘长友，等煤岩体水力致裂理论及 其工艺技术框架采矿与安全工程学报，2011,28 2167-1737 HUANG Bingx iang, CHENG Qingying, LIU Changyo u et a l7Hydra ulic frac t uringt heo ryo fc o al- ro c k massandit st ec hnic alfra mewo rk,J- Jo urnalo f MiningandSafet yEngineering 2011 282167-1737 ,4-吴拥政，杨建威.煤矿砂岩横向切槽真三轴定向水力 压 ,J-7 学报 2020 453927-9357 上接第43页 LIU Shulin. Basic t heo ry key t ec hno lo gies o f int rinsic ally safe swit c hing c o nvert ers [ D-. XianXian Univer*it yo fSc ienc eandTec hno lo gy2007. ,7-刘树林，刘健.本质安全开关变换器[M-北京科学 出版社，2008 LIU ShulinLIU Jian7Int rinsic aly safe swit c hing c o nvert ers ,M-.BeijingSc ienc ePres s2008. ,8-柳军停输出本质安全型EC电路放电特性及非爆炸 本安评价研究[D-徐州中国矿业大学2018 LIU Junt ing7Researc h o n disc harge c harac t erist ic s o f o ut put int rinsic alysafeECc irc uit andno nex plo sive int rinsic aly safe uat io n ,D -7Xuzho u China Univers it yo fMiningandTec hno lo gy20187 ,9-赵永秀，刘树林，马一博爆炸性试验电感电路分断放 电特性分析与建模[ J-煤炭学报，2015, 40 7 1698-17047 WU Yo ngzheng YANG Jianwei. True t ri-ax ial direc t io na lhydra ulic fra c t uringt est o nsa ndst o newit h t ransversegro o vesinc o al mine,J-.Jo urna lo fChina Co al So c iet y 2020 453927-935. ,5-冯彦军，康红普水力压裂起裂与扩展分析岩石 力学与工程学报，2013,32增刊23169-3179. FENG YanjunKANG Ho ngpu7Hydraulic frac t uring init ia t io nandpro paga t io n,J-.ChineseJo urnalo fRo c k Mec hanic s and Engineering 2013 32 S2 3169-3179. ,6-冯彦军.煤矿坚硬难垮顶板水力压裂裂缝扩展机理研 究及应用[D-北京煤炭科学研究总院2013. FENG Yanjun7Fra c t ure pro pagat io n o f hydraulic frac t uringandit s a pplic at io nt o harda nds t ab lero o f management in c o al mine,D-7Beijing China Co al Researc hInst it ut e20137 ,7-冯彦军，康红普.受压脆性岩石-型复合裂纹水 力压裂研究煤炭学报2013,382226-232. FENG Yanjun,KANG Ho ngpu. The init iat io n o f I 一 mix ed mo de c rac k subjec t ed t o hydraulic pres sure inb ritlero c kunderc o mpressio n,J-.Jo urnalo fChina Co alSo c iet y2013 382226-232. ,8-徐成，林健，王洋，等.泵流量对纵向切槽水力压裂裂 缝偏转的影响规律研究煤矿开采，2019,241 11-15. XU ChengLINJianWANG Yang et al Influenc e o f pumpflo wt o frac t uregauc heo fhydraulic frac t uring wit hc uting alo ng bo re direc t io n ,J-7Co al Mining Tec hno lo gy2019 24111-157 ZHAO Yo ngx iuLIU ShulinMA Yibo 7Analysisand mo deling o f induc t o r-disc o nnec t ed-disc harged c harac t erist ic sbasedo nex plo sivet est,J-7Jo urnalo f China Co al So c iet y 2015 4071698-17047 ,0-于月森，戚文艳，胡义涛，等.复合电路的放电特性研 究煤矿安全，2013,4495457. YU YuesenQI WenyanHU Yit aoet a l7St udyo n disc hargec harac t erist ic s o f c o mpo und c irc uit s ,J -7 Safet yinCo alMines 2013 44954-577 ,1-张兴华，汪丛笑，赵立厂，等基于两相同步升压技术 的本质安全电源设计工矿自动化，2011,376 14-17. ZHANG XinghuaWANG Co ngx iaoZHAO Lic hang et a l.Designo fint rinsic alysafepo wersupplyba sed o n t wo -phase sync hro no us bo o st t ec hno lo gy ,J-. Indus t ryand MineAut o mat io n 2011 37 614-17.