干河煤礦2-209工作面副巷超前水力壓裂切頂卸壓技術實踐

許建平

（霍州煤電集團有限責任公司生產技術部 ，山西 霍州 031400）

0 引言

霍州煤電集團下屬干河、辛置、李雅莊等礦井上組煤2#煤埋藏深，且受斷層等構造的影響，深部高地應力作用下回采面兩巷順槽巷道兩幫回縮、底鼓嚴重，尤其是回采期間受動壓影響，都不同程度存在臨近采空區巷道在本工作面回采時超前影響段變形大、超前維護量大的問題，個別回采面甚至不得不提前結束回采。

為探索該類巷道的治理辦法，在干河礦2-209工作面副巷超前進行水力壓裂切頂卸壓試驗，驗證水力壓裂切頂卸壓效果和適用性，為受動壓影響的辛置、李雅莊等煤礦巷道治理提供借鑒經驗，并為下步采用定向水力壓裂切頂卸壓在留巷中的技術應用提供技術支撐與保障。

1 工作面概況

干河礦2-209工作面位于+80水平二采區右翼，工作面北東端為井田邊界，南西端為二采區回風巷，北西側均為實體煤，南東側為2-100工作面采空區。工作面煤層為1#、2#煤合并成，煤層平均厚度 3.9m，平均傾角 5°，埋深 485～540m，采用長壁式采煤方法，綜合機械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板。工作面長183m，順槽長度2160m，可采走向長度914m，試驗巷道長度220m（停采線往里215m），工作面布置如圖1所示。

圖1 2-209工作面布置示意圖

2 水力壓裂卸壓技術原理及工藝

2.1 技術原理

水力壓裂技術是指在鉆孔壓裂段預制裂縫，從而控制水力壓裂裂紋擴展方向的技術。通過水力壓裂，削弱巖層的整體性和穩定性，并定向切割頂板巖層，通過人為的方法削弱煤巖體承載的高應力，使巷道或工作面處于低應力區域，使采空區頂板能夠分層分次充分垮落。

2.2 施工工藝

2.2.1 鉆孔布置

布置2種鉆孔，分別為鉆孔S和鉆孔S′；鉆孔施工采用ZDY1200S鉆機及配套鉆機平臺，鉆頭直徑為56mm，鉆桿直徑42mm。（壓裂鉆孔布置剖面如圖2所示）。

1）壓裂鉆孔S，距離巷道左幫(煤壁幫）1.5-2.5m，鉆孔長度40.5m，孔間距為10m，水平方向與巷道走向夾角90°，仰角為50°；

2）壓裂鉆孔S′，距離巷道右幫（煤柱幫）1.0～2.5m，鉆孔長度 40.5m，孔間距為 10m，水平方向與巷道走向夾角5～10°，仰角為50°。

圖2 2-2092巷壓裂鉆孔布置剖面圖

2.2.2 鉆孔壓裂

頂板水力壓裂包括封孔、高壓水壓裂、保壓注水三項主要工序，該壓裂系統主要由以下幾部分組成：靜壓水進水管路、高壓水泵、水泵壓力表、蓄存壓裂介質水和油的儲能器、手動泵、手動泵壓力表、快速連接的高壓供水膠管、封孔器。水力壓裂示意圖如圖3所示。

圖3 水力壓裂示意圖

采用后退式單孔多次壓裂，每隔2m（3m）壓裂一次，單孔壓裂次數10-13次（次數可根據窺視和強度進行調整），壓裂到距孔口13m處停止壓裂。若頂板出現異響和大面積出水，及時停止壓裂。

鉆孔水力壓裂流程：水力壓裂流程：接封孔器→接注水管→接通高壓水泵→封孔器加壓→開高壓泵，注水壓裂→壓裂30分鐘或相鄰孔出水后停泵→封孔器泄壓→交替壓裂其他孔或退下2m開始第二段壓裂→開啟循環壓裂過程直至退至13m。

3 工業性試驗及礦壓觀測

3.1 現場施工情況

試驗巷道215m，共計施工鉆孔45個、壓裂鉆孔42個，平均每天施工鉆孔4個，壓裂鉆孔3.4個。施工壓裂鉆孔45個，有38個壓裂效果較好（壓裂時鄰近鉆孔出水量較大），有4個鉆孔壓裂效果較差（壓裂時鄰近鉆孔出水量較小）分別是S3、S5、S6、S?10孔（后期已在S4-S8之間補孔），有3個鉆孔中下部堵塞無法穿管壓裂（S8、S?4、S?13孔）。水力壓裂壓力30至10MPa,平均20MPa，其中靠鉆孔上部水力壓裂壓力較大。

項目試驗施工前期，在壓裂過程中發現，S′孔（前期設計間距8m）壓裂效果較好，S孔（前期設計間距16m）壓裂時鄰近孔出水較少（S3、S5孔），壓裂效果相對較差。

采取措施：根據施工情況，為保證壓裂效果，從S8孔往外（100m范圍），S孔和S′孔間距都調整為10m，即每隔10m施工一個S孔和一個S′孔；同時對于靠工作面煤壁一側施工的S孔（壓裂效果較差）進行補孔，根據現場實際情況在S4-S8孔之間補打4個鉆孔。施工距離從200m變更為215m，鉆孔數由38個變更為45個，其中S鉆孔21個，S?鉆孔24個。

3.2 礦壓觀測

從施工鉆孔位置開始往外每20m施工布置一組巷道位移監測站，共布置14組（1188m～1445m）。自2017年10月3日所有鉆孔壓裂完畢，從10月4日開始實施監測，監測巷道位移變化量及老山垮落等情況。通過對比非壓裂卸壓段的ABC3個測站和壓裂卸壓段的1-10#測站的底鼓量、頂板下沉量和兩幫移近量來分析壓裂卸壓的效果。

3.2.1 底鼓量分析

圖4（a）為非壓裂段內ABC三個測站的底鼓量變化曲線，從圖中可見，超前回采面150m即發生底鼓現象，從超前100m明顯增加，超前50m底鼓急劇增加，三個測站最終底鼓量分別為0.52m、0.68m和0.72m。

圖4（b）為壓裂卸壓段內1-10#測站的底鼓量變化曲線，同樣個別測站超前150m既出現底鼓現象，但底鼓變形在超前150m到超前50m范圍內變化不大，2-7#測站直至超前回采面15～20m才急劇增加。最終底鼓量較非壓裂卸壓段有大幅降低，在0.17～0.32m之間。

除此外，在未壓裂段，副巷超前150m前段時常出現底鼓嚴重現象（路面硬化層從巷中隆起，隆起高度在300mm左右），不破除硬化層無法進行超前單體柱支護和設備列車移設；進入壓裂段，工作面進入S1孔開始（開始切頂位置），副巷超前150m前后段再未出現底鼓嚴重現象，均是緩慢底鼓，基本不再需要起底，不影響單體柱支護和設備列車的移設。

圖4 非壓裂段和壓裂段底鼓量變化曲線

3.2.2 頂板下沉量分析

圖5（a）為非壓裂段內ABC三個測站的頂板下沉量變化曲線，從圖中可見，超前回采面150m即有頂板下沉現象，從超前100m開始明顯增加，三個測站最終下沉量分別為0.43m、0.42m和0.26m。

圖5（b）為壓裂卸壓段內1-10#測站的頂板下沉量變化曲線，同樣個別測站超前150m既出現頂板下沉現象，但在超前150m到超前50m范圍內變化不大，2-10#測站直至超前回采面15～20m才急劇增加。最終頂板下沉量較非壓裂卸壓段有大幅降低，在0.085～0.25m之間。

圖5 非壓裂段和壓裂段頂板下沉量變化曲線

3.2.3 兩幫移近量分析

圖6（a）為非壓裂段內ABC三個測站的兩幫移近量變化曲線，從圖中可見，超前回采面200m即有兩幫移近現象，從超前100m明顯增加，三個測站最終兩幫移近量分別為1.16m、1.16m和1.03m。

圖6（b）為壓裂卸壓段內1-10#測站的兩幫移近量變化曲線，同樣個別測站超前200m既出現兩幫移近現象，但在超前150m到超前50m范圍內變化不大，直至超前回采面50m才急劇增加。最終移近量較非壓裂卸壓段有大幅降低，在0.465～0.87m之間。

圖6 非壓裂段和壓裂段兩幫移近量變化曲線

通過非壓裂卸壓段和壓裂卸壓段變形量監測對比分析，可得出以下結論：

1）水力壓裂超前卸壓效果非常顯著，通過卸壓孔注高壓水，使得老頂巖層預裂產生裂隙，減輕回采時超前支承壓力的影響，巷道底鼓量、頂板下沉量和兩幫移近量大幅降低。

2）1-10#測站超前150m即有變形主要為發生變形時回采面處于非壓裂段，超前支承壓力傳遞較遠所致。

3）壓裂段巷道變形量變化規律較非壓裂段有明顯減緩。

4 施工效果總結

1）水力壓裂超前卸壓效果非常顯著，通過卸壓孔注高壓水，使得老頂巖層預裂產生裂隙，減輕回采時超前支承壓力的影響，巷道底鼓量、頂板下沉量和兩幫移近量大幅降低。

2）2-209回采面自推至進入壓裂段后，工作面上隅角能及時充分垮落，超前段內底鼓控制在200mm左右，不再需要專門起底，兩幫移近量在0.6-0.7m，不需要安排專門隊伍從事起底刷幫，工作面可以正常推進，極大的降低了職工勞動強度，提高了回采效率。

3）在未實施水力壓裂前，副巷超前150m前后段時常出現底鼓嚴重現象（路面硬化層從巷中隆起，隆起高度在300mm左右），不破除硬化層無法進行超前單體柱支護和設備列車移設；進入壓裂段，工作面進入S1孔開始（開始切頂位置），副巷超前150m前后段再未出現底鼓嚴重現象，均是緩慢底鼓，基本不再需要起底，不影響單體柱支護和設備列車的移設。

4）徹底解決了動壓影響巷道的問題，尤其是臨空動壓影響，減少了支護投入、降低了職工勞動強度、確保了工作面正常回采。