水力壓裂切頂技術對巷道頂板影響研究

李飛飛

（霍州煤電集團有限責任公司李雅莊煤礦，山西 霍州 031400）

0 前言

霍州煤電李雅莊煤礦為高瓦斯礦井，主采2#煤層，平均煤層厚度為3.32 m，針對回采工作面在推進過程中的上下隅角空頂面積大而造成瓦斯容易積聚超限和兩巷超前段受動壓影響礦壓顯現明顯問題，引入了水力壓裂切頂技術[1-2]，目前該技術已經在2-611回采工作面得到初步應用。

李雅莊煤礦工作面使用單軌吊進行輔助運輸，對巷道頂板的完整性和穩定性要求較高，針對水力壓裂切頂技術對巷道頂板的影響，以2-611工作面副巷為對象對其頂板破壞程度進行研究。

1 水力壓裂切頂鉆孔設計

1.1 工作面基本情況

李雅莊煤礦2-611工作面切巷長205 m，設計推進距離1 285 m，采高3.35 m，煤層傾角7°，工作面標高+260 m～+274 m，對應地表表高為+756 m～+873 m。工作面頂板多為細砂巖或泥巖，初次來壓步距為24 m～26 m，周期來壓步距為23 m～30 m，開采后，冒落帶高度為7.8 m～12.2 m，裂隙帶高度為32.8 m～44 m。

2-611工作面副巷設計寬度為5.2 m，高度為3.9 m，巷道斷面積為20.28 m2，支護方式為錨網梁，其中頂板錨桿長度為2.5 m，錨索長度為7.2 m。副巷主要承擔工作面材料和設備運輸，運輸方式為單軌吊運輸。

2013年在2-6091系統巷（與2-6112巷相距130 m左右）進行了一個測站圍巖地質力學測試，測站最大水平主應力為20.91 MPa，最小水平主應力為11.44 MPa，垂直應力為12.44 MPa。最大水平主應力方向為N19°W。測站所在巷道頂板以上10 m范圍內巖層依次分別為砂質泥巖、砂巖、砂質泥巖和砂巖。砂質泥巖巖層強度約為44.7 MPa和46.7 MPa；砂巖巖層強度約為82.6 MPa和70.3 MPa。

1.2 水力切頂壓裂施工工藝

水力壓裂切頂工作主要分為鉆孔封孔、高壓水壓裂鉆孔、鉆孔保壓注水三項工序，具體步驟如下：

（1）將封孔及注水設備放入孔內，封孔、注水壓裂采用倒退式壓裂法，即從鉆孔底部由里向外逐段進行封孔壓裂。

（2）利用手動泵為封隔器加壓使膠筒膨脹，達到封孔目的，一般封孔壓力值為10 MPa～16 MPa，作業過程中若鉆孔中有水流出或壓力表值明顯下降，表明封孔失效，需及時處理。

（3）連接高壓泵實施壓裂直至預裂縫開裂，這時壓力會突然下降，保壓注水使裂紋繼續擴展，保壓注水與壓裂時間根據現場實際情況進行確定。

1.3 水力壓裂切頂鉆孔設計參數

根據李雅莊煤礦2-611工作面地質資料、巖層條件及礦壓規律，進行了相應的鉆孔設計，具體參數見6頁表1。

表1 水力壓裂鉆孔布置及水力壓裂參數

圖1 鉆孔布置

圖2 鉆孔剖面

2 水力壓裂切頂對巷道頂板影響

通過施工現場外部頂板巡查、測點周圍錨桿（索）拉拔試驗、鉆孔內部窺視、十字栓樁法監測圍巖變形量等手段，對水力壓裂切頂技術對巷道頂板影響進行深入分析，具體如下：

（1）現場頂板觀察

圖3 施工現場頂板

由圖3可以得到以下結論：在水力切頂打鉆和壓裂過程中，直觀2-6112巷頂板平整，鉆孔周圍未產生明顯的裂隙、掉落矸石及產生網包等現象，現場巷道頂板基本無變化，但在鉆孔壓裂過程中能夠斷斷續續的聽到頂板深部圍巖有斷裂的聲響，說明水力壓裂切頂沒有對巷道直接頂造成破壞影響。

（2）錨桿（索）拉拔試驗

表2 拉拔試驗

由表2可知：通過對測點周圍頂板的錨桿（索）進行拉拔試驗，發現錨桿（索）均能達到錨固要求，因此得出水利切頂壓裂沒有對巷道頂板支護區域造成影響。

（3）鉆孔內部窺視

圖4 部分鉆孔內部窺視

由圖4可以得到如下結論：水壓致裂后，以鉆孔內部8 m位置為分界線（最后一次壓裂位置），鉆孔淺部無明顯裂隙發育，鉆孔深部裂隙發育較多，裂隙基本沿鉆孔方向延伸，結合現場相鄰鉆孔在該鉆孔壓裂過程中正常出水，說明相鄰鉆孔間裂隙已經貫通，水壓致裂對巷道老頂（關鍵層）壓裂預期效果較好。

（4）巷道圍巖變形量觀察

圖5 巷道圍巖位移量

由圖5可以得到以下結論：

（1）1#、2#測點在壓裂施工完后沒有發生明顯的變形，當測點進入超前20 m范圍時，由于受到超前采動影響，出現較大變形，變形以底鼓變形為主，回采推過后測點破壞。

（2）3#測點距離采空區還有42 m，從監測數據來看還受超前采動影響較小，該測點在壓裂完后沒有出現明顯的變形，巷道兩幫的最大變形量為35 mm，頂底板的最大變形量為60 mm，可以看出變形量較??；

（3）4#測點距離回采面較遠，暫時沒有受到工作面采動過程中動壓影響，位移變化量較小，因此巷道的變形量也僅局限于垂直應力的作用。

3 結論

通過施工現場外部頂板巡查、錨桿（索）拉拔試驗、鉆孔內部窺視、現場圍巖變形量監測等多種方法對巷道頂板完整性進行有效研究，最后得出結論，即水力切頂壓裂技術主要是破壞巷道頂板深部圍巖（關鍵層）的完整性，對巷道頂板淺部支護范圍（直接頂）影響較小，滿足工作面單軌吊正常運輸對頂板穩定性的要求，同時能夠隨著工作面推進采空區上隅角頂板及時垮落，從而保證了回采工作面安全生產，為本礦頂板管理積累了寶貴的經驗，也為其他類似問題礦井提供了寶貴的借鑒。