煤矿井下水力压裂技术及在围岩控制中的应用.pdf

第4 5 卷第 1 期 2 0 1 7年 1月 煤 炭 科 学 技 术 Co a l Sc i e n c e a n d Te c h no l o g y Vo 1 ． 4 5 No ．1 J a n ． 2 01 7 煤矿 井下水 力压裂 技术及在 围岩控 制 中的应用 康红普 ， 冯彦军 1 ．煤炭科学研究总院 开采研究分 院 ， 北京1 0 0 0 1 3 ； 2 ．天地科技 股份有 限公 司 开采设计事业部 ， 北 京1 0 0 0 1 3 ； 3 ． 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室， 北京1 0 0 0 1 3 摘要 水力压裂技术在煤矿 围岩控制 中， 主要用于坚硬顶板弱化和高应力巷道 围岩卸压。在分析现 有水力压裂理论的基础上， 介绍国内采用真三轴水力压裂试验系统获得的有关水力裂缝扩展规律的 研 究成果； 重点论述煤矿井下水力压裂技 术取得的最新进展 ， 包括常规压裂与定向压裂方法， 压裂机 具设备与工艺， 及压裂效果检测仪器与方法。介绍水力压裂在 回采工作 面坚硬顶板弱化 ， 及受多次采 动影响的高应力巷道卸压 中的应用实例 ， 分析和评价压裂效果。最后 ， 根据煤矿井下煤岩体特 点， 提 出水力压裂技术的发展方向与建议。 关键词 水力压裂 ； 围岩控制； 裂缝扩展 ； 压裂方法 中图分类号 T D 3 2 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 1 7 O 1 0 0 0 1 0 9 Hy d r a u l i c f r a c t u r i n g t e c h n o l o g y a n d i t s a p p l i c a t i o n s i n s t r a t a c o nt r o l i n un de r g r o un d c o a l m i ne s K a n g Ho n g p u ’ ’ ． F e n g Y a n j u n ’ ’ 1 ． C o a l Mi n i n g B r a n c h， C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e ij in g 1 0 0 0 1 3， C h i n a ；2 ． C o a l Mi n i n g a n d D e s ig n i n g D e p a r t m e n t ， T i a n d i S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y C o ． ， L t d ． ， B e ij i n g 1 0 0 0 1 3 ， C h i n a ；3 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y ofC o a l Mi n i n g a n d C l e a n U t i l iz a t i o n ， B e lti n g 1 0 0 0 1 3 ， C h i n a Ab s t r a c t Hy d r a u l i c f r a C t u ri n g t e c h n o l o g y a p p l i c a t i o n s i n s t r a t a c o n t r o l i n u n d e r g r o u n d c o a l mi n e a r e ma i n l y i n h a r d r o o f w e a k e n i n g a n d s t r e s s r e l i e f i n r o c k s s u r r o u n d i n g r o a d wa y s wi t h h i g h s t r e s s e s ． B a s e d o n t h e a n a l y s i s o f c u rre n t h y d r a u l i c f r a c t u r i n g t h e o ri e s ， t h e a c h i e v e me n t s o f h y d r a u l i c f r a c t u r e p r o p a g a t i o n o b t a i n e d b y r e a l t r i a x i a l h y d r a u l i c f r a c t u r i n g t e s t s y s t e m we r e i n t r o d u c e d ． T h e l a t e s t d e v e l o p me n t s o f h y d r a u l i c f r a c t u r i n g i n u n d e r g r o u n d c o a l mi n e s ． i n v o l v e d i n c o n v e n t i o n a l a n d d i r e c t i o n a l f r a c t u ri n g me t h o d s ． f r a c t u rin g e q u i p me n t a n d t e c h - n o l o g i e s ， mo n i t o r i n g i n s t r u me n t s a n d me t h o d s f o r f r a c t u ri n g e f f e c t ， w e r e p r e s e n t e d e mp h a t i c a l l y ． T h e h y d r a u l i c f r a c t u ri n g c a s e s t u d i e s o f h a r d r o o f we a k e n i n g i n wo r k i n g f a c e s ， a n d s t r e s s r e l i e f i n g a t e r o a d s a f f e c t e d b y mu l t i p l e mi n i n g d y n a mi c p r e s s u r e we r e i n t r o d u c e d ， a n d t h e f r a c t u rin g e f f e c t s w e r e e v a l u a t e d ． F i n a l l y， t h e s u g g e s t i o n s a n d d e v e l o p me n t d i r e c t i o n f o r h y d r a u l i c f r a c t u r i n g w e r e p u t f o r wa r d b a s e d o n t h e c h a r a c t e ris t i c s o f s u rro u n d i n g r o c k i n u n d e r g r o u n d c o a l mi n e s ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c f r a c t u ri n g ； s t r a t a c o n t r o l ； f r a c t u r e p r o p a g a t i o n； f r a c t u rin g me t h o d s 0 引 言 水力压裂是将高压流体 液体或气体 注入 目 标岩层 ， 从而产生裂缝或使天然裂缝重启的过程 ， 通 过改造岩层结构 ， 形成裂缝 网络系统 ， 达到增加资源 采 出率等工业 目的。 水力压裂作为常规低渗油气增透技术 ， 自 1 9 5 0 年开发以来 ， 逐步在非 常规油气开采 、 页岩油气开 发 、 煤层气开发 、 地应力测量 、 地热资源开发 、 核废料 处理 、 C O ， 封存及煤 矿井下岩层控制等领域推广应 用 ， 显示出广泛的工业应用价值 。 水力压裂技术在煤矿井下的应用主要在 围岩控 收稿 日期 2 0 1 6 1 0 1 5 ； 责任编辑 杨正凯D OI 1 0 ． 1 3 1 9 9 ／ j ． c n k i ． c s t ． 2 0 1 7 ． O 1 ． 0 0 1 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 U1 2 6 1 2 1 1 作者简介 康红普 1 9 6 5 一 ， 男， 山西五台人， 中国工程院院士， 研究员， 博士生导师。E - m a i l k a n g h p 1 6 3 ． c o m 引用格式 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， 2 0 1 7 ， 4 5 1 卜9 ． K a n g Ho n g p u， F e n g Ya n j u n ． H y d r a u l i c f r a c t u r i n g t e c h n o l o g y a n d i t s a p p l i c a t i o n s i n s t r a t a c o n t r o l i n u n d e r g r o u n d c o a l mi n e s [ J ] ． C o al S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy ， 2 0 1 7 ， 4 5 1 1 9 ． 】 2 0 1 7 年 第1 期 煤 炭 科 学 技 术 第4 5 卷 制 和低渗透煤层 的增透 2个领域 J 。在 围岩控 制方面 ， 主要应用于回采工作面坚硬难垮顶板控制 、 高应力巷道围岩卸压及冲击地压防治。我国煤矿水 力压裂控制坚硬顶板 的技术最早从 波兰引进 J ， 在 大同矿区进行了井下试验。这种技术 的实质是在钻 孔中注高压水 ， 在坚硬顶板 中形成裂缝而弱化顶板 ， 使其能及时垮落。在试 验初期 ， 由于对水力压裂 机 理缺乏深入的认识 ， 施工机具也存在较大 问题 ， 致使 该项技术在很长一段时间内没有得到推广应用。 近年来 ， 煤炭科学研究总院开采研究分 院在国 家高技术研究发展计划 8 6 3计划 项 目的资助下 ， 又开展 了水力压裂技术研究 ， 对水力压裂机理与参 数 、 压裂机具与设备 、 压裂效果检测等一系列技术问 题进行 了集 中攻关 J 。研究成果 已在晋城 、 潞安 、 神东 、 伊泰 、 神南等矿 区得 到应用 ， 取得 良好效果 。 此外 ， 中国矿业大学等单位也开展了水力压裂技术 研究， 并应用于坚硬顶板控制及冲击地压防治 。 水力压裂围岩控制技术涉及压裂原理 、 参数 、 机 具与施工工艺及压裂效果检测 等多个方面 ， 压裂效 果与岩体物理力学性质 、 岩体结构 、 地应力等地质力 学条件 ， 掘进巷道和工作 面开采引起 的采动应力分 布状态 ， 及压裂钻孔 布置 、 压 裂参数等众 多因素有 关 。只有充分 了解压裂对象 、 压裂裂缝扩展形态与 特征 ， 提出合理 的压裂方案 ， 才能取得较好 的压裂 效果 。 笔者总结 了近年来我国在煤矿水力压裂围岩控 制方面取得的研究成果 ， 介绍 了典型的井下应用实 例 ， 并对该技术的发展方向提出建议。 1 水 力压裂裂缝扩展机理及影 响因素 岩体在液体压力和围岩应力作用下 ， 裂缝扩展 是其 内部孑 L 隙、 层理裂 隙及水 力裂缝相互作 用 、 发 展 、 贯穿并 形成新 的三 维裂 缝 网络系统 的力 学过 程 。水力裂缝扩展受客观因素 如地应力 、 原生 裂缝 、 岩石物理力学性质 、 孔 隙压力 、 采动应力 等 和可控 因素 如注 液速率 、 压裂 液黏度 、 压裂液浓 度 、 压裂方式 的影响 。 裂缝动态扩展是一个高度非线性 问题 ， 涉及到 流体渗流 、 孔隙压力变化 、 岩石固体 的变形和岩石 的 损伤断裂。水力裂缝的动态扩展形态、 几何尺寸及 裂缝网络系统决定 了压裂的效果 。因此 ， 正确认识 和预测水力裂缝的扩展形态是压裂设计和效果评价 的核心 。 2 1 ． 1 水力裂缝扩展理论 岩体是各向异性 、 多尺度、 多孔、 含原生裂缝及 节理 、 层理等结构面的非均质材料 ， 水力裂缝扩展是 涉及固体力学 、 流体力学及热力学等多学科 的多场 耦合过程 。建立合理的岩体水力裂缝扩展准则 是描述裂缝扩展形态 的基础。一般基 于弹塑性力 学 、 断裂力学或损伤力学 ， 通过水力 裂缝 尖端应力 场 ， 建立水力裂缝扩展准则 。 将岩体简化 为均匀 、 连续 、 各 向同性 的脆性材 料 ， 采用弹性力学及最大拉应力 准则分析水力裂缝 起裂条件 卜 j ， 是最理想 、 最简单 的方法。不 同钻 孔参数和地应力场类型对应不 同的裂缝起裂规律。 例如 ， 当钻孔方位角 0 0 。 时， 无量纲水力 裂缝起 裂压力 p ／ f ， 的变化规律 ， 如图 1所示 ， P 为起裂压 力 ； or 、 or 分别为最大 、 最小水平主应力 ； or 为垂直 主应力 ； O l n c 为钻孔倾角。 一 - ,． - C r H ／ C r h 1 ． 0 一 c r ． ／ ．c r h 1 ． ． 7 5 ． 一 c r H C r H ／ ／ C r h 2 ． ． 2 0 t r 5 ．／ t r h l 25 O H ／ O h t 5 O h Z 一 ． 一 ． ／ 一 oH ， j 一C r H ／ O h 2 ． 5 、 z 0 一 ＼ O H ／O I ．5 。 三三三 。 0 l 5 3 U 45 6 0 7 9 U 钻孔倾斜 角 O t 。 图 1 水力裂缝起裂压力变化规律 F i g ．1 Va r i a t i o n o f hy dr a u l i c f r a c t ur i ng i n i t i a t i o n p r e s s u r e 随着断裂力学 的不 断发展， 有学者 ” 采用断 裂力学分析单一裂缝在水力作用下的力学行为， 力学 模型如图 2所示。基于裂缝尖端应力强度因子建立 水力裂缝起裂准则。应力强度因子按式 1 计算 搏 鸯 图2单 一水力 裂缝 力学模 型 F i g ． 2 Mo d e l o f s i n g l e h y d r a u l i c f r a c t u r e [ P一 or 1 S i n 2 ／ 3 。 s 卢 ] 1 【 KⅡ 。 一 o r l or 3 ／ 1 T 0 s i n卢 c o s 式中 KI 、 KⅡ 分别为裂缝尖端 I 型 、 Ⅱ型应力强度 因子 ， MP ai n 。 ； P为水 压 ， MP a ； or1 、 o r 3 分 别为 最 大、 最小主应力 ， MP a ； 。为裂缝半长 ， I 1 3 ； ／ 3 为裂纹和 or 方 向的夹角。 康红普等 煤矿井下水力压裂技术及在围岩控制中的应用 2 0 1 7年第 1 期 上述传统弹性力学 、 断裂力学理论分析水力裂 缝 ， 力学模型与真实的岩体相差较远。最近 ， 有些学 者考虑原生裂缝与水力裂缝 的相互作用 ， 研究 了水 力裂缝 扩展规 律及 影 响因素 ， 力 学模 型如 图 3所 示 。 f 仍 一 逼近角 ； 一水力裂缝穿出角 ； ， 、 17 “ 。 、 m 一分别 为极 坐标表示 的各应力分量 图3 水力裂缝穿越原生裂缝示意 Fi g ． 3 S k e t c h o f h y d r a u l i c f r a c t u r e p a s s i ng t h r o ug h n a t u r a l f r a c t u r e 基于断裂力学理论 ， 陈勉 给 出了水力裂缝起 裂和转 向的控制方程及影响因素 。随着水平地应力 差增大 ， 裂缝转 向后趋于变窄。随着压裂液流量 和 黏度增大 ， 裂缝宽度随之增大。水力裂缝 与天然裂 缝的初始逼近角为 3 O 。 时， 较容 易沿原生裂缝转 向。 水力裂缝偏离最大主应力方向扩展容易造成裂缝宽 度变窄 、 裂缝长度和体积变小 ， 这是 由于裂缝开启过 程 中需要耗散更多 的能量。同时， 水力裂缝扩展对 原生裂缝也会产生一定影 响， 当水力裂缝逼近原生 裂缝时 ， 原生裂缝面的受力状态不断发生变化 ， 甚至 导致原生裂缝发生失稳 。 当水力裂缝在扩展过程 中与层理相遇时 ， 提出 水力裂缝在层理起裂或沿层理延伸的判据 ， 指出 层理起裂临界强度 比， 即层 理面抗拉强度与岩石基 体抗拉强度 比满足裂缝沿层理扩展的临界值 ， 随层 理倾 角减小而增大 ， 并 随最大 主应力和层理走 向角 的增大而减小 ， 随中间和最小主应力及 岩石抗拉强 度的增大而增大。随着地应力差 、 层理倾角、 走 向角 的增大 ， 层理扩展 临界强度比降低 ， 水力裂缝沿层理 弱面扩展变难， 当岩石强度增大时水力裂缝倾向于 沿层理面延伸。 文献 [ 1 8 ， 2 2 - 2 3 ] 认为 ， 水力裂缝穿越原生裂缝 需满足以下条件 高逼近角、 高最大与最小水平主应 力 比值 、 高走向角 、 高水平应力差异系数 。其 中 K h o r Hc r h ／ o - h 2 当煤层中水力裂缝遭遇断层时， 逼近角度、 水平 主应力差和岩体弹性模量差异是影响水力裂缝扩展 的主要 因素 。 1 ． 2 水 力压裂实验室试验 水力裂缝扩展物理试验在揭示复杂裂缝扩展机 理 、 模拟现场压裂 、 改进压裂技术工艺方面发挥了重 要作用。 根据岩层条件和压裂 目的不 同， 中国石油勘探 开发研究 院廊坊分院 、 中国石油大学 北京 、 中国 科学院武汉岩土力学研究所 、 中国矿业 大学等单位 开发出不同规格的水力压裂物理试验 台， 并进行 了 大量的试验研究。 1 ． 2 ． 1 页岩 与砂岩水力压裂试验 针对页岩层 ， 衡帅等 进行 了尺寸为 3 0 0 m m 3 0 0 mmx 3 0 0 ml n的岩样真三轴水力压 裂试验 。水 力裂缝在孔壁处近似沿最大主应力方 向起裂 ， 受层 理影响 ， 水力裂缝扩展过程 中逐渐偏离最大主应力 方向。虽然最大主应力方向垂直层理面 ， 但水力裂 缝仍沿层理面方 向扩展。扩展过程 中通过原生裂隙 向更多的弱胶结层理面扩展 ， 从 而形成交错复杂的 水力裂缝网络。 文献 [ 2 6 2 7 ] 在真三轴试 验条件下 ， 采用声发 射 、 添加示踪剂 、 压裂后剖切试样等方法， 监测并分析 了水力裂缝在页岩中的扩展规律。压裂过程 中排量 较低的试样 ， 其水力裂缝更容易和层理面或原生裂缝 沟通 ， 形成更加复杂的裂缝网络。水力裂缝遭遇原生 的层理 、 节理或裂缝时， 发生止裂、 分叉 、 穿越或转向， 如图4所示 ， 这是形成复杂裂缝网络的主要原因。 ①顺从 ／ ． 亮 顺 从 后 转 向 穿闭合 襞 日Y “7 - - ④ 贯 穿 开 启 贯 穿 圆霉 受 ⑤ 多裂缝 图4 水 力裂 缝与原生裂缝相互作用模式 F 4 I n t e r a c t i o n mo d e s o f h y d r a ul i c a n d n a t u r a l f r a c t ur e s 魏元龙等 引 采用 真三轴水力压裂模拟试验 系 统 ， 研究 了致密砂 岩水力裂缝扩展形态 。在 3种地 应力差异 系数 0 ． 0 5 、 0 ． 1 5和 0 ． 2 5 下 的试 验结果 表明， 水力裂缝的形态主要为 4类 ， 试样 的泵压曲线 也分为 4类 ， 可根据泵压 曲线初步判断水力裂缝扩 展形态。 鞠杨等 采用水力压裂物理试验 、 ／ x C T成 像 、 x射线衍射等技术， 结合离散元程序 C D E M ， 研究 3 2 0 1 7 年第1 期 煤 炭 科 学 技 术 第4 5 卷 了砂砾岩的压裂特性 。指出砂砾岩的非均质性显著 影 响水力裂缝 的起裂和扩展 。与均质砂岩相 比， 砂 砾岩起裂所需 的压力较小 ， 受水平应 力 比 ／ o - 的影响较小 。但水平应力比显著影响水力裂缝的空 间形态 ， 当 ／ o - 小于 1 ． 5时， 裂缝呈空间分布， 大 于 1 ． 5时 ， 形成沿最大主应力方向的平面裂缝 。 1 ． 2 ． 2 煤岩层水力压裂试验 煤岩层与常规储层相比， 具有原生裂缝发育 、 弹性 模量低 、 泊松比高等特点 ， 水力裂缝形态有其特殊性。 程远方等 采用真三轴压裂模拟试验系统 ， 对 尺寸为 1 0 5 m m 1 0 5 minx 9 3 m m的煤样进行 了压裂 试验 ， 结果表明， 最小水平主应力与垂直应力差值增 大时， 水力裂 缝有从垂直缝 向水平缝转变 的趋 势。 在等应力差状态下 ， 高围压导致水力裂缝复杂化。 范铁刚等 对尺寸 3 0 0 mm 3 0 0 mm 3 0 0 mm 的煤样进行 了真三轴水力压裂试验 ， 结果表明 ， 注液 速率较低时， 原生裂缝易开启 ， 形成 以最大水平主应 力方向为主的多条主裂缝和分支裂缝。随着注液速 率增大 ， 易产生新裂缝并形成单条裂缝。 杨焦生等 采用真三轴试验对晋城矿区尺寸 3 0 0 mmX 3 0 0 mlT l 3 0 0 m m 的煤样进行 了水 力压裂 试验 ， 研究地应力 、 原生裂缝及界面力学性质对水力 裂缝扩展的影响。有原生裂缝时 ， 水压波动剧烈 ， 水 力裂缝失稳扩展 。 较小时 ， 水力裂缝易产生分支 裂缝且沿原生裂缝延伸； 当 较大时 ， 水力裂缝常 沿垂直于最小水平主应力的方 向延伸。法向应力和 原生裂缝黏结强度是水力裂缝穿越原生裂缝的主要 影响因素。 文献[ 3 3 ] 进行 了煤层顶底板岩样 大尺寸真三 轴水力压裂试验 。结果表明 ， 原生裂缝开度较大 、 水 压较低时 ， 水力裂缝沿原生裂缝扩展 ； 当原生裂缝开 度较小 、 水压较高时 ， 水力裂缝将穿透原生裂缝。 综上所述 ， 在水力压裂理论与试验方 面， 油 气 、 煤层气开采领域取得了大量研究成果 ， 而在煤矿煤 岩层水力压裂方面， 大多借鉴油气开采的相关研究 成果 ， 还没有形成基于煤岩层赋存特征 、 物理力学性 质 、 结构特征及应力场分布特征的煤矿井下水力压 裂理论体系 。 2 煤矿井下水 力压 裂技术 2 ． 1 压裂 方 法 用于岩层控制 的水力压裂通常分为常规压裂与 定 向压裂。常规压裂如图 5所示 ， 这种压裂方法对钻 4 孔不作任何处理 ， 选择合适的压裂段后 ， 进行封孔 、 注 水压裂。初始压裂裂缝大多接近于纵向裂缝 ， 其扩展 常会越过封孔器， 导致压裂失败。另外 ， 纵向裂缝不 一 定是围岩控制所需要 的裂缝扩展方向。 心 啦 图5 常规水力压裂示意 F i g ． 5 S k e t c h o f c o nv e nt i o na l hy d r a u l i c f r a c t ur i ng 定向压裂如图 6所示 。在压裂孔段设置横向切 槽 ， 该切槽方向即工程所需的裂缝扩展方 向。钻孔 注水后 ， 在横 向切槽端部产生拉应力集 中， 拉应力 比 无切槽 时可高 1 0倍 以上。钻孔在切槽尖端处优先 开裂 ， 并沿着横向切槽的方向扩展 ， 满足围岩控制 的 需要 。 图 6 定 向水力压 裂示意 F i g ． 6 S k e t c h o f d i r e c t i o n a l h y d r a u l i c f r a c t u r i n g 2 ． 2 压裂机具与设备 压裂机具与设备包括横向切槽钻头 、 封孔器 、 高压 注水泵及压裂效果检测仪器等。下面以煤炭科学研究 总院开采研究分院开发的水力压裂机具进行介绍。 1 横向切槽钻头。根据坚硬顶板岩层特性 ， 开 发出 K Z 5 4型切槽钻头 ， 如 图 7所示 。钻头外径为 5 4 m m， 可在单轴抗压强度 5 0 1 5 0 MP a的岩层中预 制横 向切槽。 图7 K Z 5 4型横 向切槽钻 头 F i g ． 7 K Z 5 4 t r a n s v e r s e n o t c h b i t 2 跨式膨胀型封孔器 图 6 。由封孔器头 、 胶 康红普等 煤矿井下水力压裂技术及在围岩控制中的应用 2 0 1 7年第 1 期 筒 、 中心管 、 封孔器连杆等组成 。胶简 由钢丝加强的 橡胶材料制成 ， 以水作为膨胀介质封孔。这种封孑 L 器 的特点是能保持较高压力 ， 且可选择不 同的压裂 段 ， 实现 同一钻孔分段逐次压裂。 3 高压注水泵 。注水泵 的压 力与流量应 能保 证钻孔被压裂 ， 而且裂缝能扩展一定 的距离 一般 为 2 0 ～ 5 0 m 。选择最大泵压 6 0 MP a以上 ， 流量 8 0 L ／ rai n左右 的注水 泵 ， 能 够满 足 一般 压 裂条 件 的 要求。 2 ． 3压裂效果检测 压裂裂缝的扩展形态 、 方 向和距离对压裂效果 影响显著 ， 因此 ， 应采用有效手段监测裂缝 的扩展状 况。最简单 的方法是在距 离压裂孔不 同位置打设监 测孔 ， 监测裂缝的扩展半径。另外 ， 通过分析压裂过 程中水压变化 曲线 ， 也可初 步判断裂缝 扩展形态。 有些学者提 出采用地球物理方法 ， 如电法 、 微震法监 测裂纹扩展 ， 但 目前实际应用还很少。 水力压裂必将 引起钻孑 L 周 围岩体应力 的变化。 因此 ， 通过监测压裂前后岩体应力变化 ， 可评价压裂 效果。岩体应力变化监测可采用钻孔应力计， 可监 测一个方 向的应力变化 ； 也可采用空心包体应变计 ， 监测三维应力变化 。 在井下还可通过观察采空区顶板垮落状况评价 压裂效果 ； 通过监测工作 面液压支架工作阻力的变 化 ， 巷道变形量 、 支护体受力情况 ， 间接地分析压裂 与卸压效果 。 3水力压裂在围岩控制中的应用 目前 ， 水力压裂在围岩控制 中的应用 主要有 2 个方面 回采工作面坚硬顶板控制 ， 高应力巷道围岩 卸压 。 3 ． 1 回采工作面坚硬顶板压裂 回采工作面存在坚硬顶板时 ， 会出现采后不易 垮落 ， 发生顶板 大面积来压或 冲击矿压 。水力压裂 可有效弱化顶板岩层， 使其分层 、 分次逐步垮落， 减 小顶板垮落给工作面产生的冲击， 保证工作面安全 生产 3 4 - 3 5 ] 。 实施水力压裂的位置有 2个 一个在开切眼， 进 行初次放顶 ， 减小初 次来 压步距 ； 另一个 在 回采巷 道 ， 减小周期来压步距 。 3 ． 1 ． 1 神东补连塔煤矿工作面初次放顶 神东补连塔煤 矿 2 2 3 0 9工作 面埋 深为 1 9 0 1 1 1 ， 工作面倾 向长度为 3 1 1 ． 4 m， 采高 6 ． 7 m， 直接顶为 砂质泥岩 ， 厚度 6 ． 1 5 m， 基本顶为粉砂岩 ， 厚度 2 5 ． 8 m。由于埋深浅 ， 顶板岩层 比较完整稳定 ， 不采取放 顶措施 ， 顶板采后很难及时垮落。水力压裂初次放 顶钻孔布置如图 8所示。钻孔直径 5 8 m m， 钻孔 主 要在开切 眼工作 面推进方 向垂 直布置 ， 间距为 1 0 m， 倾角大 、 小孔间隔布置 ， 大倾角孔长度 4 1 m， 倾角 5 0 。 图 8钻孔 1 ， 小倾角孔长度 4 0 m， 倾角 2 5 。 图 8 钻孔 2 。另外， 为保证工作面两端头及时垮落， 在超前开切眼 的 2条巷道 中各 布置 3个 大倾 角钻 孔 ， 钻孔长度 4 1 m， 倾角 5 0 。 图 8中钻孔 3 。 采用上述初 次放顶方案后 ， 工作面初次来压步 距仅 为 3 2 m， 采后 顶板 能及 时垮 落 ， 保 证 了安 全 生 产 图 8 补连塔煤矿水力压裂初 次放 顶钻孔布置 Fi g ．8 La y o ut o f h y d r a ul i c f r a c t u r i n g b o r e h o l e s i n B u l i a n t a c o a l mi n e 3 ． 1 ． 2 晋城王台铺煤矿工作面坚硬顶板压裂 晋城王台铺煤矿 l 5号煤层 X V 1 3 0 6 综采工作 面， 长度 8 5 ． 5 m， 埋 深 1 4 0 r n 。煤层直接顶为石灰 岩 ， 厚度平均为 9 m， 坚硬致 密， 平均单轴抗压强度 为 1 2 7 MP a ， 整体性 、 稳定性好。 在工作面巷道和开切眼进行定向水力压裂弱化 顶板 ， 使顶板能随工作面推进及时垮 落。回采巷道 中的压裂钻孔布置如图 9所示。钻孔长度为 5 0 m， 与工作面巷道轴线成 7 0 。 ， 仰角为 1 0 。 ， 钻孔 间距为 25 m。 采用 K X- 8 1 型空心包体应变计对水力压裂前 后钻孑 L 周围煤体应力变化 ， 及随工作面推进前方煤 体 中应力变化进行 了监测 6 3 。安设在压裂钻孔 正 下方煤体中压裂前后主应力增量变化 曲线 ， 如图 l 0 所示。近似水平 的主应力增量 △ 发生了突变 ， 应 力值增加近2 0 M P a ， 其他2 个主应力增量 A o - ， 、 A o “ 有所降低， 但变化不大。在压裂过程中产生了近似 垂直的裂缝 ， 由于水压的作用， 使得垂直于裂缝方向 的水平应力显著增加。当压裂作业结束后， A o “ 得 5 2 0 1 7 年第1 期 煤 炭 科 学 技 术 第4 5 卷 漫 星 H 图 9 王 台铺煤矿 回采巷压 裂钻 孔布置 F i g ． 9 L a y o u t o f h y d r a u l i ca c t u rin g b o r e h o l e s i n g a t e r o a d i n Wa n a i p u c o a l mi n e 到恢复， 却低于压裂前的水平。可见， 水力压裂后可 降低煤体应力。 堪 墨 ll 蓑 一 一 一 测 点 I 作同距 离 ／ m 图 1 0 压裂前后主应力增量变化曲线 Fi g ．1 0 Va ria t i o n c u r v e s o f p rin c i pa l s t r e s s i n c r e me n t d u r i n g h y d r a u l i c a c t u ri n g 顶板压裂后， 随着工作面推进， 煤层垂直应力有所 增加 ， 水平应力降低 ， 但变化幅度不大。顶板压裂后来 压强度降低， 工作面超前支承压力影响减弱。 另外， 类似的工作面不采取水力压裂， 顶板周期 来压步距为 1 O ～1 5 r n ； 实施水力压裂后 ， 顶板能随工 作面推进及时垮落 ， 周期来 压变得不 明显。表 明水 力压裂取得 良好效果 。 3 ． 2 高应力巷道水力压裂 对于受二次 、 多次采动影响的巷道 ， 如回采工作 面双巷 、 多巷布置中的留巷 ， 可采用水力压裂方法卸 压 ， 改善留巷受力状态。 3 ． 2 ． 1 神东布尔台煤矿回风巷水力压裂试验 神东布尔台煤矿 4 2号煤层工作面 回风巷受相 邻工作面和本工作面回采及上覆采空区煤柱集中应 力 平均层间距 7 0 m 影响， 工作 面来压期 间回风巷 矿压显现剧烈 ， 如 图 1 l所示。顶板掉渣 、 冲击现象 频发 ， 煤帮鼓 出 1 ． 6 m， 底鼓量达 1 ． 5 ～2 ． 5 m， 导致 超前支架拉架和工作面推溜 、 拉架困难 ， 严重影响正 常生产 。 造成 回风巷变形严重的主要原因是 工作面巷 道受到上个工作面开采后 煤柱上方侧 向悬顶 ， 本工 作面后方不能及时垮落的顶板 ， 及上部 2 2号煤层采 6 空区遗 留煤柱集 中应力 的“ 三重” 应力叠 加作用 。 因此 ， 巷道卸压 的有效方法是在煤柱侧切断悬顶 ， 在 工作面侧压裂顶板， 使其在采后能及时垮落。根据 这种卸压 原理 ， 设 计 回风巷压裂钻 孑 L 布置如 图 1 2 所示。 一 图 1 1 布尔 台煤 矿 回风巷 变形 状况 F i g ． 1 1 S e v e r e l y d e r me d t a i l g a t e i n B u e a i c o M mi n e 一m vj 钻孔 开口位 【日J风 巷 d々1n 宅I 孑L 图 1 2 布尔 台煤 矿 回风巷 水力压裂钻孔布置 F i g ． 1 2 L a y o u t o f h y d r a u l i ca c t u rin g b o r e h o l e s i n t a i l g a t e i n Bu e a i c o a l mi n e 钻孔直径 5 8 m m， 位于工作面侧 ， 钻孔垂直巷道 轴线布置 ， 钻孔长度 4 0 ． 5 1 1 3 ， 倾角 5 0 。 图 1 2中的钻 孔 1 ， 间距 1 0 、 1 5 13 3 ； 煤柱侧 ， 钻孔与工作面巷道轴 线成 1 0 。 夹角， 钻孔长度 4 0 ． 5 I n ， 倾角 5 0 。 图 1 2中 的钻孔 2 ， 间距 1 5 In。 采用上述压裂方案后 ， 工作面来压步距显著减 小 ， 如图 1 3所示 ， 图中虚线左侧为未压裂段 ， 右侧为 压裂段。工作面巷道底鼓量大幅减小至 2 0 0 m m左 右 ， 两帮移近量 降低 6 0 ％左右 ， 保证 了工作面安全 生 产 。 0 工作面推进距离 ， m 图1 3 布尔台煤矿工作面压裂前后来压步距对比 F i g ． 1 3 Co mp a ris o n o f p e ri o d i c w e i g h t i n g i n t e rva l b e r e a n d a f t e r h y d r a u l i ca c t u r i n g i n B u e a i c o a l mi n e 3 ． 2 ． 2 潞安余吾煤业留巷水力压裂试验 潞安余吾煤业 S 1 2 0 6工作面为双巷布置， 如图 1 4所示 。回风巷与瓦排巷之间的煤柱宽度为 3 5 m。 瓦排巷为复用巷道， 受到本工作面、 下一工