摘要: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,某煤矿209 工作面护巷煤柱在工作面回采动压影响下围岩变形严重问题,采取了超前工作面进行水力压裂切顶卸压来减小煤柱所受采空侧覆岩载荷。针对该工作面工程地质条件,对水力压裂钻孔施工相关参数进行了确定并进行了工业性试验,应用效果表明,压裂后巷道顶底板及两帮围岩变形量降低,巷道围岩变形处于可控范围,实现工作面安全高效回采。
关键词:水力压裂;切顶卸压;施工
随着开采深度 和煤层厚度的增加,留巷压力增大,留巷底鼓和帮部变形严重,巷道维护量增大,在下一工作面使用前,需对巷道进行修复。同时由于巷道顶板坚硬岩层存在,沿空巷道悬顶宽度增大,顶板断裂不理想,悬顶的存在使沿空巷道压力增加。因此需采用切顶卸压技术措施降低巷道悬顶宽度,降低留巷压 力。现有切顶卸压技术主要有爆破切顶卸压、顶板钻孔放顶、端头强制切顶等。但爆破切顶方法仍存在工程量和炸药量大、成本高、污染井下空气等不足,在高瓦斯矿井或煤层中应用时,需采取控制瓦斯或煤层爆炸的措施。为解决问题,提出了采用水力压裂切顶卸压技术,解决工作面悬顶问题。
一、慨况
某煤矿生产矿井209 工作面为矿井主采面,209 工作面回采期间超前采动影响不大,超前支护段几乎没有明显变形。209 工作面回采进入到 100 采空区影响范围后,2092巷超前影响段变形明显,超前 180m 左右即有底板硬化层开裂,出现底鼓,超前 60m 范围内巷道变形严重,底板鼓起,两帮移近,顶板出现破碎网包,变形最严重处巷宽由 4.8m 缩至 3.5m,巷高由 3.6m 减至2.3m,起底量和超前维护量巨大。如图。
在工作面回采动压影响下,工作面两侧所留设的区段煤柱内部应力会随着工作面推进距离的变化而发生变化。当距离工作面相对较远时,煤柱未受回采动压影响而处于原岩应力状态;当煤柱与工作面距离较近时,在工作面超前支承压力影响下,煤柱内部应力急剧增加,处于应力增高区;当煤柱距离工作面后方较远后,煤柱内部应力逐渐减小,恢复到原岩应力状态并趋于稳定。因此,受支承压力的影响,护巷煤柱载荷急剧增长,外巷巷道的变形开始变大。2092 巷超前段发生急剧变形,为典型受超前采动影响所致,该巷同时受 100 采空区侧向支承压力和 209 回采面超前支承压力影响,侧向支承压力无法进行卸压,因此需在2092 巷采取超前切顶卸压技术来减弱本工作面回采期间的超前支承压力,减小超前影响段维护量。
二、煤矿井下水力压裂理论及技术
水力压裂即通过在钻孔压裂段预先生成切槽裂缝,通过注入高压水来使孔内裂隙发生定向扩展致裂岩体的方法。该项技术在煤矿坚硬顶板控制控制方面经过多年试验,取得了良好的现场应用效果。高压水对顶板的作用主要体现在弱化顶板和高压致裂方面,对顶板岩层的完整性进行破坏,同时降低其强度,从而有助于上覆顶板岩层发生逐次垮落,将顶板来压步距及来压强度大大减小,防止了坚硬顶板大面积来压而导致工作面安全生产事故的发生。
岩体是各向异性、内含节理裂隙等结构弱面的非均质材料,而在高压水作用下岩体的裂纹扩展是涉及到固体力学、流体力学的多场耦合作用过程。通过水力裂缝尖端应力场,建立水力裂纹扩展准则,进而对水力压裂情况下,岩体的裂纹扩展形态进行研究。
在进行分析时,可将岩体看作是连续、均匀、各向同性的脆性材料,基于最大拉应力准则,通过弹性力学的方法来对裂缝的起裂条件进行分析研究。当钻孔相关参数及地应力场不同时,则围岩裂缝起裂规律也不同。例如,当方位角 θAz=0°,钻孔倾斜角 θInc 从 0°旋转至 90°,即钻孔由垂直孔旋转为水平孔,σH/σv=0.25、0.75、1.5 和 2.5 时,pb/σv 的变化规律,如图。
定向水力压裂,横向切槽设置在压裂孔部位,在实际工程应用中,裂缝会沿着切槽的方向进行扩展。在钻孔内两个封孔器段内注入高压水后,在横向切槽的端部会产生拉应力集中,在尖端处首先发生开裂,裂缝同时向深部扩展。水利压力机具设备主要有切槽钻头、封孔器、高压注水泵及水量水压监测仪器等。横向切槽钻头主要采用 KZ54 型切槽钻头,该钻头外径为 54mm,对于单轴抗压强度在 50-150MPa 的岩层均具有很好的适应性。封孔器选用跨式膨胀型封孔器,其构成部分主要有:封孔器头、胶筒、中心管、连杆等。胶筒由钢丝加强的橡胶材料制作而成,注水后即可发生膨胀并封孔。该封孔器具有封孔压力高的特点,同时可划分不同的压裂段,从而在同一钻孔内实现分段逐次压裂。高压注水泵通常选用压力超过 60MPa,流量达到 80L/min左右的注水泵,在该注水压力和流量下可实现钻孔周边围岩被压裂,且裂缝可扩 20-50m 左右。
三、煤矿井下顶板水力压裂工艺
顶板水力压裂包括封孔、高压水压裂、保压注水工序,该压裂系统主要由以下部分组成:静压水进水管路、高压水泵、水泵压力表、蓄存压裂介质水和油的储能器、手动泵、手动泵压力表、快速连接的高压供水胶管、封孔器。水力压裂坚硬稳定岩层强制放顶施工工艺,钻孔内的切槽钻头首先进行横向切槽,预制裂缝,孔内预置封孔器,通过人工操作手动泵使封孔器膨胀封孔,通过高压泵对封孔段内注入高压水,对岩层进行致裂,水压致裂坚硬顶板具有如下技术优势:①该项技术不同于传统水力压裂,主要针对煤矿井下坚硬顶板难以垮落而设立,因而克服了煤矿井下施工环境差、空间范围狭小等的点。②水力压裂工作效率高,致裂顶板速度快,可满足综采工作面正常回采的要求,随采顶板及时垮落。③水压致裂通常超前工作面来进行,因此不会对工作面的正常回采产生影响。④与采用火工品来爆破预裂顶板相比,水压致裂的安全可靠性更高,致裂范围更大,可在钻孔较少的情况下,取得更好的致裂效果,从而提高施工作业效率。
通过2-1002 巷内进行了定向水压致裂施工后,通过对正常回采段与水压致裂段围岩变形进行对比可知,压裂后巷道顶底板及两帮围岩变形量大大降低,降低量分别为 50%和 30%,表明水压致裂切顶卸压可有效控制巷道围岩变形,实现工作面安全高效回采。
参考文献:
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