煤柱留巷定向水力压裂卸压机理及试验.pdf

第 4 2卷第 5期 2 0 1 7年 5月 煤 炭 学 报 J OU RNAL OF CHI NA C OAL S O C I E T Y Vo 1 ． 42 No． 5 Ma v 2 01 7 吴拥政 ， 康红普． 煤柱留巷定 向水力压裂卸压机理及试验[ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 1 7 ， 4 2 5 1 1 3 0 1 1 3 7 ． d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／ j ． c n k i ． j c c s 2 0 1 6 ． 1 6 7 7 Wu Yo n g z h e n g ， K a n g Ho n g p u ． P r e s s u r e r e l i e f me c h a n i s m a n d e x p e r i me n t 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 i n r e u s e d c o a l p i l l a r r o a d wa y [ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 1 7 ， 4 2 5 1 1 3 0 - 1 1 3 7 ． d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／ j ． c n k i ． j C O S ． 2 0 1 6 ． 1 6 7 7 煤柱 留巷定 向水 力压裂卸压机理及试 验 吴 拥 政 ， 康红普 ，。 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 针对煤柱 留巷支护 问题 ， 提 出一种控制 坚硬厚顶板煤柱留巷 变形的新方法定向水力压 裂留巷卸压技术 ， 旨在转移护巷煤柱上的高采动应力 ， 改善 留巷的应 力状态 ， 并提 出定 向水力压裂 煤柱留巷卸压机理。以余吾煤业公 司 1 2 0 6煤柱留巷 瓦排巷为研究对象， 确定 了定向水力压裂钻 孔方案、 钻孔布置参数及施工工艺。压裂结果显示， 横 向切槽机械钻头可以在预定位置预制开槽； 2 1～ 2 8 m分段压裂时间 占总压裂时间4 8 ％ ， 是整个钻孔的压裂关键位置 ； 采用 间接方 法判断裂隙 的扩展 范围 2 0 m左右。对压裂段和非压裂段进行 了表 面位移、 煤柱垂直应 力、 工作面超前 支承压 力、 压裂段煤柱上方三向应力等监测。监测结果表明 压裂段 两帮收缩量 降低 3 0 ． 5 ％ ， 顶底板移近 量降低 5 O ． 2 ％； 超前压力的影响距 离不超过 5 0 m， 距 离工作面超过 1 5 m左右时， 出现应力峰值 ； 超 前工作面 1 0 m左右范围内出现塑性破坏； 采动影响最显著的作用来 自垂直应 力； 采空 区造成应力 扰动方向与最大相对主应力方向一致。监测与评估表 明卸压效果明显。压裂及卸压结果表明 用定向水力压裂 留巷卸压技术可以消除或减弱坚硬顶板形成的悬顶效应 ， 达到留巷的 目的。 关键词 煤柱 留巷 ； 定向水力压裂； 卸压机理； 高应力； 井下试验 中图分类号 T D 3 2 2 ． 5 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 1 7 0 5 1 1 3 0 0 8 Pr e s s ur e r e l i e f m e c ha ni s m a nd e x pe r i m e n t o f d i r e c t i o na l hy d r a u l i c f r a c t ur i n g i n r e us e d c o a l pi l l a r r o a d wa y W U Yo n g z he n g ’。 ．KANG Ho n g p u ’ ’ 1 ． C o a l Mi n i n gB r a n c h ， C h i n a C o a l R e s e a r c hI n s t i t u t e ， B e ij i n g 1 0 0 0 1 3 ， C h i n a ； 2 ． C o a l Mi n i n g a n dDe s i g nDe p a r t me 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 yC 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 o fC o a l Mi n i n g a n d C l e a n U t i l i z a t i o n ， B e ifi n g 1 0 0 0 1 3 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o s o l v e t h e p r o b l e m o f r e u s e d c o a l p i l l a r r o a d w a y s u p p o r t ， a n e w me t h o d t o c o n t r o l t h e d e f o r ma t i o n o f c o a l p i l l a r i n h a r d t h i c k r o o f i s p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r p r e s s u r e r e l i e f t e c h n o l o g y o f d i r e c t i o n a l h y d r a u l i c fr a c t u rin g H F ． T h e p u r p o s e i s t o t r a n s f e r t h e h i g h mi n i n g s t r e s s O ff t h e r o a d w a y p i l l a r s a n d i m p r o v e t h e s t a t e o f t h e r e u s e d c o a l p i l l a r r o a d wa y ． De s t r e s s i n g me c h a n i s m b y d i r e c t i o n a l HF i s pr e s e n t e d． A e a s e s t u d y wa s p e rfo r me d a t t h e S1 2 0 6 me t h a n e r o a d w a y o f t h e Y u w u C o a l Mi n e ． D e t e r mi n e t h e d i r e c t i o n a l H F b o r e h o l e s p r o g r a m， b o r e h o l e s l a y o u t p a r a me t e r s a n d c o ns t r uc t i o n t e c h n o l o g y ． I t i s f o u n d t h a t d i r e c t i o n a l s l o t s c a n b e s u c c e s s f ul l y c u t b y u s i ng d e d i c a t e d g r o o v i n g b i t s ． 2 1 2 8 m s t a g e d fra c t u r i n g t i me 48 ％ o f t h e t o t a l t i me o f fra c t u r i n g． wh i c h a r e t he ke y p o s i t i o n o f t h e e n t i r e d ril l i ng； t he i n d i r e c t me t ho d t o d e t e r mi n e t he fra c t ur e e x t e n d e d r a n g e o f a b o u t 2 0 m． Pi l l a r s t r e s s ， fro n t a bu t me n t p r e s s ur e a nd r o a d wa y c o n v e r g e n c e we r e mo n i t o r e d i n di f f e r e n t s t a t i o ns wi t h a n d wi t h o ut HF t r e a t me n t ． S t r e s s c h a ng e s i n t h r e e d i r e c t i o ns 收稿 日期 2 0 1 6 - 1 1 - 2 5 修回 日期 2 0 1 7 0 3 1 7 责任编辑 常琛 基金项 目 国家 自然科学基金青年基金资助项 目 5 1 3 0 4 1 1 9 ； 国家 自然科学基金煤炭联合基金资助项 目 U 1 2 6 1 2 1 1 作者简介 吴拥政 1 9 7 8 一 ， 男 ， 河南修武人， 研究员， 博士研究生。E m a i l t i a n d i w y z 1 6 3 ． c o n 5期 父拥政 等 煤 f } 留巷定 向水力压裂卸压机理 及试验 wi t h i n t h e pi l l a l’wh e r e HF h a s b e e n p e r f o r me d we F e a l s o mo n i t o r e d． I t i s f o u n d t h a t t h e wa l l t o wa l l c o n v e r g e n c e a n d t h e r o o f t o flo o r c o n v e r g e n c e we r e r e du c e d 3 0． 5％ a n d 5 0． 2％ du e t o t h e HF t r e a t me n t ． r e s p e c t i v e l y． F r o n t a b u t me n t wa s d e t e c t a b l e wi t h i n 5 0 In a h e a d o f t h e l o n g wa l l f a c e ． Th e p e a k p r e s s u r e 1 c u r r e d a t a di s t a n c e o f 1 0 I n o u t b y t h e f a c e ． F a i l U l -e e x t e n d e 1 o u t b y t h e f a c e f o r a d i s t a n c e o f a r o u n d 1 0 m ． V e r t i c a I s t r e s s i s a ma j o r c o n t r i b u t o r t o t h e i n fl u e n c e o f mi n i n g ． i n du c e d s t r e s s ． Th e d i r e c t i o n o f t h e i n d u c e d s t r e s s i s c o n s i s t e nt wi t h t h e ma x i mu m p r i n c i p a l s t r e s s ． Mo n i t 0 r i n g a n d e v a l u a t i o n s h o we d t ha t t h e p r e s s u r e r e l i e f e e t wa s o hv i o us ． I t i S d e mo n s t r a t e d f lr 0 l l 1 t h e c a s e s t u d y t h a t t h e f u n c t i o n o f t h e u s e d r o a d wa y c a n b e p r e s e r v e d b y u s i n g t h e di r e c t i o n a l HF t e c h n i q u e ． Ke y w o r d s r e u s e d c o a l p i l l a r r o a d w a y ； h y d r a u l i c f r a c t m’i n g H F ； d e s t r e s s i n g me c h a n i s m； h i g h s t r e n g t h ； u n d e r g r o u n d t e s t 煤矿高瓦斯工作面一般采用多巷布置 ， 部分回采 巷道除供本工作 面使用外 ， 还需 为下一 个工作面服 务， 该类巷道称 为留巷巷道。留巷巷道种类很多， 包 括沿空留巷 、 小煤柱沿空留巷 、 煤柱 留巷等。本文探 讨 的是煤柱留巷。留巷由于要经受 2个工 作面回采 带来的强烈采动影响， 因此矿压显现强烈。 留巷维护一般采用 2种办法 一是增加留巷的支 护强度 ； 二是采取卸压措施提前释放压力。很多矿井 除加大支护强度外 ， 同时采取卸压措施。卸压措施中 比较常见的是提前在顶板预裂， 降低护巷煤柱采动载 荷。卸压技术在沿空留巷 中的应用非常普遍 一 ， 预 裂方式包括气体预裂 、 爆破预裂 、 水力压裂等。 定向水力压裂技术是波兰开发出的用于煤矿坚 硬难垮顶板控制及冲击地压防治的方法 J 。国内外 很多学者对水力压裂进行过研究和试验 ， 这些成 果为水力压裂参数设汁提供了基础。近年来， 煤炭科 学研究总院开采研究分院开发出定 向水力压裂切槽 方法与机具 ， 并在多个矿区进行了推广应用 。 煤柱留巷要经受相邻工作面和本工作面二次采 动影响 ， 采动影响强烈 ， 维护时间长 ， 支护难度大。坚 硬厚分层顶板岩层条件下 ， 工作面回采后采动影响更 加剧烈。特别是在已采工作面后方， 上部坚硬厚顶板 难以及时跨落 ， 采空区承担 的载荷小， 更多的载荷转 移到护巷煤柱和实体煤 中， 引起煤柱承受过大的支承 压力， 是导致煤柱留巷产生大变形的主要原因。针对 煤柱 留巷支护问题 ， 本文提出一种控制坚硬厚顶板煤 柱留巷变形的新方法 定向水力压裂 留巷卸 压技 术 ， 旨在转移护巷煤柱上 的高采动应力 ， 改善留巷的 应 力状 态 。 l 煤柱 留巷定 向水 力压裂卸压机理 工作 面 同采 过程 中， 随着顶板 暴露面 积增加 ， 工作丽后方 顶板岩层将 发生 冒落。 当煤 层顶 板 中 存在坚硬 、 完整厚岩层时 ， 顶板的 冒落时间会延迟 。 坚硬厚顶板易形 成较 长时间跨 度的悬顶效应 ， 这是 留巷 长期无法稳定 、 变形过大的重要原因。若顶板 岩层延迟 冒落时问达到 几个月 以上时 ， 从工作面采 动影响 分析 角度 看 ， 可 以认 为 是 永久性 的悬 顶结 构 。为了研究 永 久性 的悬顶 结构 对留巷稳 定性 的 影 响， 本文提 出了一个简 化的力学 模型 ， 用悬臂 梁 结构代替悬顶结构。 图 I 表示存在悬臂结构的采空 区形 态。顶板 自 然冒落一般呈拱形 ， 这里采用梯形代替。采用钻孑 L 预 处理措施 ， 实现对水力压裂裂隙的扩展方 向控制 ， 在 期望的裂隙扩展方向进行打孔切割等作业 ， 诱导水力 压裂裂隙面的扩展方 向。当采用水压压裂方 法进行 顶板压裂作业后， 可以使悬臂区岩体冒落。 I 一 豳 岩层 煤层 冒落 岩体 留巷煤 柱悬 臂 区 图 1 存在悬臂结构的采空 形态 Fi g ．1 St m t u r e o f a n l i l e v e l 。 e x i s l i n g i n t he g ob 在钻孔 内采用机械式钻头切槽方法 已经在井下 得到尝试‘ J ， 采用横向切槽 ， 切槽方向垂直于钻孔方 向， 从回采巷道位置 向煤柱上方钻一个倾斜孑 L ， 在孔 内坚硬顶板位置采用专用切槽工具在孔壁环向形成 横切槽， 根据顶板情况一般需要设计多个横 向切槽 ， 增加裂隙面的数量 ， 确保悬臂区结构 冒落。在注水压 裂时 ， 诱导裂隙沿横切槽所在平面发展。采用定向水 力压裂技术形成裂隙面倾斜切割悬臂区结构冒落， 达 到煤柱留巷卸压的目的， 如图2所示。 由此 ， 定 向水力压裂煤柱留巷卸压机理是 采用 水力压裂消除或减弱坚硬顶板形成的悬顶效应 ， 切断 护巷煤柱上部坚硬厚顶板， 使悬臂 区冒落， 更好地充 填采空区， 增加采空 区承担的载荷 ， 降低煤柱和实体 煤 的载荷 ， 改变应力转移和分配 比例， 改善留巷受力 状态 ， 减少留巷变形。 煤 炭 学 报 2 0 1 7 年 第4 2 卷 钻弛 内横切 “1 I1 及裂隙面 io ； io ； io ； io ； __ ， 、 o 6 o , o X o X o／ 、 ＼ ／ ／ ＼ ＼ ／ 煤 层 国 喜 图 2 定向水力 压裂切顶卸 压机理 示意 F i g ． 2 Me c h a n i s m 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 e mp l u y e , t fi * r t h e r o o f c o n t r o l 2 井下试 验 2 ． 1 试 验 点概 况 试验点选择在潞安余吾煤业公 司 S 1 2 0 6瓦排巷 该矿井属高瓦斯矿井 ． 主采 3号煤层 ， 煤层倾角平均 3 ． 9 。 ， 煤层厚度平 均 6 ． 3 4 m。S 1 2 0 6工作 面埋深 约 5 3 0 m， 采用四巷布置方式 ， S 1 2 0 6瓦排巷和回风巷均 为煤柱留巷， 净煤柱宽度为 3 5 m。巷道断面 为矩形 ， 高 3 ． 6 m， 宽 5 ． 0 m， 掘进断面为 l 8 m 。沿 3号煤层 底板掘进 ， 顶板留有 2 ． 7 4 m顶煤 。工作面布置如图 3所示 S l 2 0 6 j 风巷 终 采 线 S 1 2 0 6 运 北 5 0 0 m 1 ’n I ‘ i 匦 嚏 一 0 ∞ 尽 s l 2 o 6 采 空 区藿 择 0 壁 S I 2 0 6 轧于 {l 巷 图 3 S 1 2 0 6工 作面布置 F i g ． 3 L a y o u t o f S 1 2 0 6 WO I‘ k i n g f a c e 2 ． 2 试验点地质条件 3号煤层顶板约 7 2 m范围内的岩层结构见表 l ， 煤层顶板上方存在 2个连续厚层砂岩 ， 分别位于顶板 上方 l 0 ． 8 5～ 2 6 ． 8 2 m分段和 3 3 ． 5 7～ 7 1 ． 8 l m分段 ， 2个分段的坚硬岩层 累计厚度达到 5 4 ． 2 1 m。砂岩属 于强 度 较 高 的 岩 层 ， 以 此 为 统 计 标 准 ， 在 顶 板 7 1 ． 8 l m 范 围 内， 强 度 较 大 的 岩 层 比重 达 到 了 8 2 ． 4 ％。说明 3号煤层顶板存在厚度较 大的坚硬 岩 层， 工作面【 口 j 采后该 岩层不能 及时垮落 ， 出现较 大的 悬顶是留巷的瓦排巷破坏严重的根本原因。 从表 1町以看到 ， 顶板 1 0 11 1 范 围内的岩层种类 包含 炭质泥岩 、 粉砂岩、 砂质泥岩等。根据地质力学 参数测试数据 ， 尽管这些 岩层 不属于坚硬岩体 ， 但测 试得到的强度值整体上仍然较高 ， 在总共 2 9个测试 点中， 超过 1 0 0 M P a的测试点达到 7个 ； 超过 8 0 MP a 表 1 顶板岩层 结构 Tabl e 1 St r uc t ur e o f r oo f s t r at a 岩层 层厚／ m 粒砂岩 和粗粒砂 岩等 砂质泥 岩 中砂岩 、 细砂 岩等 砂质泥岩 、 炭质泥岩等 粉砂岩 炭质泥岩 3号煤 炭质泥岩 粉砂岩 3 8 ． 2 4 6． 7 5 l 5． 9 7 5 ． 3 4． 9 5 0 ． 6 0 6 ． 0 5 O ． 3 2 3 ． 8 3 的测试点达到 9个； 4 0 8 0 MP a之间的测试点 为 l 3 个。由此可以推断顶板上方 的细粒砂岩 、 中粒砂岩 、 粗粒砂岩的强 度应 当显 著高于上述岩层。测试 的 3 号煤层平均抗压强度为 9 ． 4 5 MP a ， 煤体强度偏低。 2 ． 3 水力压裂卸压方案 地 应 力测 试 结 果 显 示， 最 大 水 平 主 应 力 为 9 ． 1 5 M P a ， 最小水平 主应力为4 ． 9 7 MP a ， 垂直主应力 为 l 3 ． 2 5 MP a 。最大 水平 主应 力方 向为 N 2 1 ． 5 。 E。 瓦排巷与水平主应力的夹角如图 4所示 ， 巷道布置方 向为 N 8 0 。 W。最小主应力与巷道轴 向夹角为 l 0 。 ， 夹 角较小 ， 根据 已有研究结论 ， 裂隙面的扩 展方 向将受 最小主应力方 向的控制 ， 因此采取钻孑 L 横向切槽 措施对裂隙面的扩展方向进行干预。 I S 1 2 O 6 删风巷 ／ 图 4巷道 布 置 与 水 平 主 应 力 方 向 Fi g ． 4 Or i e n t a t i o n o f r o a d wa y a n t i h o r i z o n t a l pr i n t ‘ i pa l s t r e s s 根据定 向水力压裂煤柱留巷卸压机理 ， 压裂地点 选择在 S 1 2 0 6回风巷 ， 向瓦排巷方 向布设钻孔 ， 采用 水力压裂消除或减弱坚硬顶板形成的悬顶效应 ， 切断 回风巷与瓦排巷问护巷煤柱上部坚硬厚顶板 ， 降低煤 柱载荷 ， 减少 留巷 S l 2 0 6回风巷的变形 。水力压裂卸 压试验段长度为 1 1 0 m， 根据顶板岩层结构及地质 力 学参数数据 ， 结合现有施工条件， 确定水力压裂钻孑 L 布置及开槽参数如下 1 沿 S 1 2 0 6回风巷煤柱侧 布置 1 2个钻 孔 。 钻 孔直径 5 6 am， 长度 3 0 m， 间距 1 0 n l ， 水平投影 与煤 壁夹 角为 7 5 。 ， 钻孑 L 仰角 5 0 。 ， 如图5所示。 N ＼ 第 5期 吴拥政等 煤柱翻巷定向水力压裂卸压机 及试验 一 5 一I 一 3 5 I 一 5 I b 钴 于 L 晋 U 向 图 图 5 S 1 2 0 6回风巷 水力压裂钻孑 L 布置 Fi g ． 5 La y c u t o f h y d r a ul i c f r a c t ur i n g bo r e ho l e s i n t h e a i r r e l um g a t e o f S1 2 06 2 钻孔开槽采用顺次开槽顺序 ， 施工完 7号槽 后施工 6号槽 ， 依次开槽。每个钻孔 开 7个槽 ， l号 槽距孑 L 底 2 m， 7号槽距孑 L 底 2 0 I l l ， 两槽相距 3 m， 如 图 5 b 所示 。 2 ． 4水 力压 裂施 工工 艺 1 安装封孑 L 器和水压仪并调试 连接 ,t 4 L 器并 对其排气 、 试压 ， 将手动泵和储能器与封孔器连接 ， 安 装水压仪。 2 将封孔器推送至预定位置 预裂缝处 ， 封孔 及注水压裂均采用倒退式 ， 即从钻孔底部开槽处向外 依次进行封孔和压裂。 3 手动泵加压封孑 L 器 ， 压力 1 0 MP a时观察钻 孑 L 并监测压力表 ， 检验封孔器能否保压。 4 开启水压仪 ， 给高 压水泵通 水通 电 ， 慢慢加 压 ， 同时记录水泵压力表 、 流量计 以及手动泵压力表 数据 ， 继续加压直至预裂缝开裂 ， 这时压力会突然下 降 ， 保压注水使裂纹继续扩展 ， 保压注水压裂时间根 据现场压裂情况确定 ， 若巷道顶板 ， 煤帮或钻孔 中有 水渗出或 冒出时 ， 立即停止压裂。 5 压裂结 束后， 高压水 泵断 电停 水， 封孔器泄 压 ， 退出钻孑 L ， 完成压裂。 3 压裂及卸压效果分析 3 ． 1 开槽效果 考虑水在裂纹扩展过程中的滤失 、 变向及多裂缝 扩展 ， 确定高压注水泵的最大压力为 6 0 M P a ， 流量为 8 0 L ／ ra i n 。注水压裂前采用矿用全景 电子窥视仪对 开槽效果进行观察， 图 6所示的是 8号钻孑 L 2 6 ． 4 n 处开槽窥视照片， 表明横向切槽钻头完全可以在预定 位置预制开槽 。 横 向 切 槽 单位 m 图 6 8号钻孔横 向切懵 Fi g ． 6 r r a ns v e r s e no t c h o f No ．8 b o r e h o l e 3 ． 2 压 裂过 程及 效果 压裂过程中， 对压裂位置 、 注水压力、 保压时间以 及钻孑 L 出水情况进行了详细记录， 其中 号钻孑 L 整理 记 录 见表 2 。 表 2 1号钻孑 L 水力压裂过程记录 Ta bl e 2 Re c o r d of dr i l l i ng hy dr au l i c f r a c t ur e 从表 2中可以看出 1 随着压裂位置距孑 L 口距离的增加 ， 破裂切槽 所需的注水压力增大， 这 与地质力学测试得 出的钻孔 越往里围岩强度越大的规律一致。 2 分析钻孑 L 压裂时间发现 ， 完成整段 压裂孔需 2 ． 8～ 3 ． 1 h ， 而完成 2 l～ 2 8 I l 1 分段需 I ． 5 h ， 占4 8 ％。 可 见， 该段岩层远 比其余岩层段坚硬 ， 是整段钻孑 L 压 裂的关键分段。 采用水压仪实时监测水压随时间 的变化规律。 典型的水力压裂过程水压变化特征如图 7所示 ， 该 曲 线 为 2号孔 2 8 t n段 的压力记录。 采用间接的方法判断裂隙扩展范围， 以压裂钻孔 及附近顶板的锚杆锚索孔作为监测孔 ， 表 2及现场监 2 3 4 5 6 7 8 9 O，2 拍 拍 拍 拍 “ “ 2 3 4 5 6 7 8 9 0● 拍 拍 拍 拍 ” “ 煤 炭 学 报 2 0 1 7 年第4 2 卷 3 5 3 0 ∞ 2 5 2 0 1 5 l O 0 l O 0 2 0 0 3 O 0 4 U u 5 00 6 0 0 时间／ s 图 7 2号孑 L 2 8 m段水力压裂压 力曲线 Fi g ． 7 Hy dr a ul i c f r a c t ur i n g p r e s s ur e c u r v e s o f s e c t i o n a wa y f r o m t h e o r i f i c e o f No ． 2 b o r e h o l e 28 m 测显示 ， 出水位置与压裂孔水平距 离为 1 0 m左右 ， 表 明裂缝扩散范围在 2 0 m左右 。 3 ． 3 卸压效果测站布置 为监测卸压效果 ， 在压裂段和非压裂段设置两个 测站 ， 监测 内容包括表面位移监测 、 煤柱垂直 应力监 测 、 工作面超前支承压力监测及压裂段煤柱上方三向 应力监测等 卸压效果测站布置如图 8所示 。 J 皋J 8 裂效 果监 测 测 站 布 置 Fi g ． 8 La 3 o u t o f s t a t i o n mo n i t o r i n g t h e e f f e c t o f f r a c t t i r e 1 巷道表面位移监测 在 5号 贯两侧分别布置 6个表面位移测点 ， 分别 编号压 l～ 压 6和非 l～ 非 6 ， 每个测点间距 1 0 m， 人 工测量 S I 2 0 6瓦排巷顶底板移近量和两帮收缩量 。 2 煤 柱垂 直应 力监 测 在压裂段 3号横贯煤帮布置 4个水平钻孔 ， 直径 4 2 m m， 钻孔深度为 1 0 m， 距离巷道底板 1 ． 5 m， 安装 4组钻孔应力计 ， 依次编号 1 ～ 4号。4组钻孑 L 应力计 安装位置分别距离 S 1 2 0 6回风巷煤柱表面为 4 ， 6 ， 8 ， 1 0 m， 各组应 力计间距 2 n 1 。 另外 ， 作为对 比， 在非压裂段 5号横贯煤帮也布 置 4个水平钻孔 ， 依次编号 5～ 8号 ， 安装参数 同上。 3 工作面超前应力监测 在超前工作面 1 5 0 m煤帮安装 1个测 站 ， 布置 2 个测点， 间距 2 m， 安装 2组钻孔应力计 ， 依次编号 9 ， 1 0号 ， 钻 孔直 径 4 2 Irn m， 深度 1 2 m， 距 离 巷道 底板 1 ． 5 I T I 。 4 煤柱上方三向应力监测 在压裂段 3号横贯顶板安装一组空心包体应力 计 ， 钻孔直径 1 3 0 m m， 深度 2 0 m， 在垂 直投影方向夹 角为 6 6 。 ， 在水平投影方向和巷道轴 向夹角为 7 5 。 ， 孔 底靠近 l 2号压裂孔附近， 如图 9所示。 图 9 3号横贯空心包体安装示意 Fi g ． 9 Sk e t c h o f h o l l o w i n cl u s i o n i n s t a l l e d i n No ． 3 t r a v e r s e 3 ． 4卸压效果分析 3 ． 4 ． 1 巷道表面位移 表面位移监测结果是判断煤柱留巷 定向水力压 裂卸压效 果的主要依据 。图 1 0为 1 2个测点的两帮 收缩量变化曲线 ， 从整体上看 ， 受工作面回采影 响期 间 ， 非压裂段的两帮收缩量明显超过压裂段 。在表面 位移监测后期 ， 两帮收缩量 基本达到稳 定。监测期 间 ， 2 0 1 5 1 0 1 7 一 l 1 - 0 3工 作面在 7 5 9 ． 6 I T I 位 置停 采 ； 2 0 1 5 一 l l 一 0 5 一l 8工作 面在 7 6 6 ． 3 m 位置停采 ； 2 0 1 5 一 l 2 0 9 2 0 1 6 - 0 3 - 0 3工作面在 8 l 3 ． 2 m位置 停采。停采期间可以看出两帮基本稳定 ， 工作面重新 开采 后 两 帮 位 移 会 出 现 波 动。截 止 2 0 1 60 3 2 4， S 1 2 0 6工作面回采结束 ， 终采线位置在 8 4 8 m。停 采当 日监测 数据 ， 非 压裂段两 帮收缩量 介于 1 9 4～ 2 7 2 m m， 平均值 为 2 2 0 mm； 压裂段两帮收缩量介 于 8 8～1 6 9 m m， 平均值为 1 5 3 IT l m。水力压裂段两帮收 缩量降低 3 0 ． 5 ％。 图 l 】 为顶底板移近量变化曲线 ， 从整体上看 ， 受 工作面 回采影响期间， 非压裂段的顶底板移近量 显著 超过压裂段 ， 监测后期顶底板移近量基本达到稳定。 在 3个停采期间， 顶底板基本稳定 ， 工作面重 新开采 后顶底板移近量会快速增加。截止到终采线位置 ， 非 压裂段顶底板移近量介 于 3 6 9～4 7 5 m m， 平均值 为 4 4 6 m l n ； 压裂段顶底板移近量介于 1 3 8～2 6 7 m m， 平 均值为 2 2 2 m i l l 。水 力压 裂 段 顶 底板 移 近 量 降 低 5 0 ． 2 ％ 。 3 ． 4 ． 2 煤柱垂直应力监测 通过监测煤柱垂直应力的变化 ， 可以从内在力学 第 5期 吴 拥政等 煤柱 留巷定 向水力压裂卸 压机理及 试验 3 0 0 甚 2 4 0 蛩 蚓 l 8 O 蜉 蒹 1 2 o 窿6 0 0 5 0 0 g 4 0 0 3 0 0 惹2 0 0 臀 1 0 0 O 图 1 0 两帮收缩量 Fi g． 1 0 S h r i n ka g e o f t wo s i d e c o a l wa l l s Fi g ．1 1 Ro o f - t o floo r c o n v e r g e n c e 机理方面揭示定向水力压裂卸压的实现方式 。煤柱 应力分布是回采工作面的采动影响稳定之后 的数值。 但在实际的测试中， 由于与实际生产需要相 冲突 ， 很 难监测采动影响稳定之后 的煤柱应力 。本 次测试在 工作面推进过监测点 2 5 m左右 ， 煤柱应力监测停止。 图 1 2 a 为压裂段 的应力监测结果。从 图中可 以看到 ， 距离工作 面大 于 5 0 m时 ， 垂直 应力变化较 小 ； 距离工作 面小 于 5 0 m时， 应力上升 速度 明显加 快 ； 距离工作面超过 1 5 m左右时 ， 出现应力峰值 ， 此 后 ， 应力出现快速的下降 ， 工作面推进后 2 0 m左右稳 定。 图 1 2 b 为非压裂段的应力监测结果。从 图中 可以看到， 距离工作面大于 5 0 m时 ， 垂直应力变化比 较缓慢 ； 距离工作 面小 于 5 0 IT I 时 ， 应力 上升速度加 快 ； 工作面推进至应力监测点附近时 ， 应力上升速度 进一步增加 ， 此后 ， 应力一直保持快速上升趋势。 对 比压裂段和非压裂的应力监测结果 ， 可以看到 比较 明显 的区别 压裂段的应力在接近工作面时出现 了峰值点 ， 此后快速下降， 而非压裂段 的应力一直保 持上升趋势。 压裂段的监测点在接近工作面时 出现峰值点 ， 可 能由如下原因造成 压裂段的顶板尽管在水力压裂作 用形成了多个裂隙面 ， 但是并没有将悬臂结构分割为 萋 测点距采煤工作面距离／ m a 压裂段 图 1 2 煤 柱垂 直应力监测 曲线 Fi g ．1 2 Ve r t i c a l s t r e s s mo n i t o r i n g c u r v e s o f c o a l p i l l a r 孤立的块体 ， 悬臂结构