臨空巷道煤柱高壓水力“割-壓”斷頂卸壓技術研究

寧建國楊尚王俊紀潤清張曉東王志剛

（1山東科技大學能源與礦業工程學院山東青島266590 2大同煤礦集團有限責任公司技術中心山西大同037003 3大同煤礦集團有限責任公司晉華宮煤礦山西大同037003）

0 引言

晉華宮煤礦主采12-2#煤層，煤層賦存穩定，結構簡單，但是頂板較為堅硬，多為中砂巖、粉砂巖。12-2#煤層402盤區8214工作面2214巷沿空側留有6 m～20 m煤柱，在開采過程中，由于頂板較為堅硬，工作面側向頂板難以垮落，形成一定長度的懸臂梁結構，上覆頂板壓力逐漸向2214巷煤柱幫轉移，煤柱承受較大載荷，巷道煤柱幫破碎嚴重，出現片幫網兜現象，鼓幫較嚴重。為解決以上問題，晉華宮煤礦采用定向爆破方式處理側向懸頂問題，以此降低小煤柱承受載荷[1-5]。但定向爆破不僅存在鉆孔施工量大、效率低，而且很可能引燃采空區有害氣體，給煤礦的安全、高效開采產生一定的隱患[6]。為此，針對8214工作面堅硬側向懸頂問題本文提出了臨空巷道煤柱高壓水力“割-壓”破裂斷頂卸壓技術，以期解決堅硬側向懸頂問題和臨空巷道圍巖控制難題，為堅硬頂板工作面安全開采及相關災害防治等提供科學依據。

1 工程概況

晉華宮12-2#煤層402盤區8214工作面煤層賦存穩定，結構簡單，煤層傾角平均為11°，厚度平均為6.2 m，面長1 104 m，寬137 m，平均埋深310 m。南至402輔運大巷，西部為8214回采工作面采空區，北部為8212回采工作面采空區，東部為870大巷。8214工作面采用雙巷布置，2214巷（運輸順槽）走向長度1 104.5 m，5214巷（回風順槽）走向長1 104.5 m，如圖1所示。8214工作面頂底板巖層情況如表1所示。

圖1 8214工作面位置關系

表1 8214工作面頂底板情況

2 臨空巷道煤柱斷頂卸壓理論

對于晉華宮煤礦而言，8214工作面采用臨空煤柱護巷技術，頂板巖層為堅硬巖層，堅硬頂板難以垮落。堅硬懸頂自身的重量及上方的巖層傳遞下來的載荷作用在煤柱上方，引起煤柱上方支承壓力大幅提高，煤柱內產生較大的應力場，煤柱完整性變弱出現片幫現象，如圖2（a）所示。

圖2 臨空巷道煤柱斷頂前后受力示意圖

為解決8214工作面堅硬側向懸頂問題，采用臨空巷道煤柱高壓水力“割-壓”破裂斷頂卸壓技術，如圖2（b）～（c）所示。利用水力割縫預先在巖體中按預設裂縫方向擴展進行割縫，形成有序、一致的縫槽布置形態，實現對巖體局部應力的重新分布改造；其次該技術在縫槽位置進行水力壓裂時，縫槽能夠誘導裂縫沿預設或者工程要求方向擴展，達到定向的目的。

采用高壓水力割縫-壓裂斷頂后，堅硬懸頂及上覆巖層垮落，作用在煤柱上方的載荷降低，支承壓力整體降低，煤柱應力環境得到改善，煤柱完整性較好，臨空巷道應力水平整體降低，煤柱側片幫現象基本消除，如圖2（d）所示。

3 臨空巷道煤柱斷頂卸壓技術現場實施

3.1 臨空巷道煤柱斷頂卸壓實施方案

根據8214工作面現場地質以及生產情況，選擇在8214工作面2214巷720 m～690 m區域內煤柱側實施高壓水力“割-壓”破裂斷頂卸壓技術。在實施區域共布置6個割縫-壓裂鉆孔，鉆孔間距為6 m，鉆孔開口處位于巷道肩角附近，鉆孔深度為12.5 m，鉆孔角度61°，鉆孔直徑85 mm，單鉆孔布置2個縫槽，縫槽間距為4 m，其中深縫槽位于11.0 m處，與煤柱側巷幫水平距離為5.3 m，淺縫槽位于7.0 m處，與煤柱側巷幫水平距離為3.4 m，如圖3所示。

圖3 側向斷頂鉆孔布置

3.2 臨空巷道煤柱斷頂卸壓技術實施

臨空巷道煤柱高壓水力“割-壓”斷頂卸壓技術包括四個階段，分別為鉆孔階段、高壓水力割縫階段、窺視階段、高壓水力壓裂階段。

圖4 鉆孔階段

鉆孔階段：在設定位置利用地質鉆機、水力割縫淺螺紋鉆桿、割縫器、水力割縫鉆頭等設備按設計方案進行鉆孔，如圖4所示。

圖5 割縫階段

高壓水力割縫階段：連接高壓水力割縫管路，檢查管路密閉性完好后，進行深部縫槽和淺部縫槽水力割縫，水 壓 采 用 遞 進 式 增 加：10 MPa，20 MPa，30 MPa，…，各縫槽割縫水壓為50 MPa～85 MPa，最大割縫水壓達到85 MPa，每個縫槽割縫時間總用時8～10分鐘左右，如圖5所示。

窺視階段：采用鉆孔電視對鉆孔進行窺視，以便檢驗割縫效果和確定割縫位置，為接下來高壓水力壓裂做準備。

圖6 壓裂階段

圖7 水壓監測儀及現場連接

高壓水力壓裂階段：連接高壓水力壓裂管路，檢查管路密閉性完好后，根據鉆孔窺視確定的各鉆孔深淺縫槽位置進行壓裂，高壓水力壓裂方式采用間隔孔壓裂，即對1#割縫-壓裂鉆孔（由于現場操作、施工問題1#鉆孔未進行壓裂）、3#割縫-壓裂鉆孔、5#割縫-壓裂鉆孔進行壓裂，如圖6所示。在壓裂期間采用水壓監測儀監測水力壓裂時間、縫槽破裂水壓力，水壓監測儀如圖7所示，水壓監測結果如圖8～9所示。

圖8 3#鉆孔水力壓裂水壓監測結果

圖9 5#鉆孔水力壓裂水壓監測結果

圖8 ～9為不同鉆孔水力壓裂水壓監測結果，其中，3#鉆孔深縫槽水力壓裂時間達200 s，縫槽起裂水壓力為16.7 MPa，失穩水壓力為17.5 MPa；3#鉆孔淺縫槽水力壓裂時間達45 s，縫槽起裂水壓力為10.8 MPa，失穩水壓力為11.5 MPa；5#鉆孔深縫槽水力壓裂時間達103 s，縫槽起裂水壓力為14.7 MPa，失穩水壓力為15.2 MPa；5#鉆孔淺縫槽水力壓裂時間達64 s，縫槽起裂水壓力為13.1 MPa，失穩水壓力為13.5 MPa。由各監測結果可以看出，水壓力曲線基本相似，基本為水壓上升段、水壓穩定段、水壓下降段。這主要由于高壓清水泵泵注排量較大，且8214工作面上方頂板強度高、節理裂隙不發育、整體性強，上方頂板初次破裂后水壓力并沒有明顯的下降，而是穩定在一定水平，此時的水壓力為裂縫張開壓力和裂縫擴展壓力的綜合體現。因高壓水在經過壓裂管路、封孔器等設備過程中出現水力衰減現象，縫槽起裂與裂縫擴展的純水壓力值要小于壓力傳感器監測到的數值。

4 臨空巷道煤柱斷頂卸壓效果檢驗

4.1 鉆孔電視探測

為了解高壓水力割縫效果，待高壓水力割縫完成后，使用鉆孔電視對鉆孔進行直觀探測，以便更好地了解不同水壓的割縫效果、縫槽位置等參數，為后續水力壓裂做準備。

圖10 1#鉆孔窺視結果

圖11 2#鉆孔窺視結果

圖12 3#鉆孔窺視結果

圖13 5#鉆孔窺視結果

圖10 ～圖13為具有代表性鉆孔不同水壓割縫窺視結果。各鉆孔分別進行了50 MPa、60 MPa、70 MPa、75 MPa、80 MPa、85 MPa，6種不同水壓鉆孔割縫，當水壓為50 MPa時，縫槽相對較窄，并且孔壁僅僅有較淺的割痕，如圖11（a）所示；當水壓為60 MPa時，縫槽相對較窄，鉆孔電視探測發現縫槽寬度僅為1 cm～2 cm，經相關研究分析可得割縫半徑為到20 cm～30 cm，如圖11（b）所示；當水壓為70 MPa、75 MPa時，縫槽寬度逐漸變寬，鉆孔電視探測發現縫槽寬度為3 cm～4 cm，經分析可得割縫半徑為到30 cm～40 cm，如圖10（b）、12（b）、13（b）所示；當水壓為80 MPa、85 MPa時，縫槽寬度較寬，鉆孔電視探測發現縫槽寬度為4 cm～5 cm，經分析可得割縫半徑為到40 cm～50 cm，如圖10（a）、12（a）、13（a）所示。由此可知，對于晉華宮12-2#層402盤區8214工作面頂板來說，最低割縫壓力應大于50 MPa，并且縫槽寬度以及割縫半徑隨著水壓的增大不斷增大，縫槽寬度以及割縫半徑與水壓呈正比關系。

4.2 切頂前后頂板錨桿、錨索托錨力監測

采用錨桿（索）測力計檢驗臨空巷道煤柱斷頂卸壓效果。在2214巷未實施割縫-壓裂區域與實施割縫-壓裂區域安裝頂錨桿（索）測力計，以此監測兩區域頂錨桿（索）真實受力狀態，更好的評價割縫-壓裂卸壓效果。

4.2.1 測站布置

在未實施割縫-壓裂與實施割縫-壓裂區域，分別在巷道中部安裝錨桿（索）測力計。在2214巷共布置4個測站，分別為1#測站、2#測站、3#測站、4#測站，其中1#測站、2#測站位于割縫-壓裂實施區域，1#測站位于2#、3#鉆孔之間，2#測站位于4#、5#鉆孔之間，3#測站、4#測站位于未割縫-壓裂區域，分別位于670 m、660 m位置處，如圖14（a）所示。其中每個測站布置一個錨桿測力計、一個錨索測力計，其中錨索測力計距煤柱幫1 m，錨桿測力計距煤柱幫2 m，布置方式如圖14（b）所示，錨桿（索）測力計現場安裝布置，如圖14（c）所示。

圖14 測站布置

4.2.2 監測數據分析

圖15 各測站錨桿（索）受力變化曲線圖

圖15 為各測站錨桿（索）受力變化曲線圖，由圖15（a）知，未割縫-壓裂區域中的3#測站、4#測站中錨索受力較大，3#測站、4#測站中錨索最大值分別為85.7 kN、81.5 kN，平均83.6 kN；割縫-壓裂區域中1#測站、2#測站中錨索受力相對較小，1#測站、2#測站中錨索最大值分別為71.2 kN、49.3 kN，分別為未割縫區域的85%、59%。由圖4.15（b）知，未割縫-壓裂區域中的3#測站、4#測站中錨桿受力較大，3#測站、4#測站中錨桿最大值分別為62.7 kN、60.1 kN，平均為61.4 kN；割縫-壓裂區域中的1#測站中錨桿受力較大，達67.9 kN，2#測站中錨桿受力相對較小，僅為36.6 kN，為未割縫區域的60%。

其中1#測站中錨桿（索）受力較大原因主要為：1#測站位于2#鉆孔與3#鉆孔之間，而該區域由于現場操作、施工問題，僅對3#鉆孔進行了壓裂，致使該區域頂板僅有一部分被壓裂，導致1#測站受力相對較大；2#測站中錨桿（索）受力較小主要是2#測站位于3#鉆孔與5#鉆孔之間，該區域3#鉆孔與5#鉆孔分別進行了割縫、壓裂，該區域頂板壓裂、卸壓效果較好，進而2#測站錨桿（索）受力較小。

5 結論

（1）高壓水力“割-壓”破裂斷頂卸壓技術不僅可以實現對巖體局部應力的重新分布改造；而且能誘導裂縫沿預設或者工程要求方向擴展，達到定向的目的。

（2）通過現場鉆孔窺視結果分析可知，對于8214工作面頂板來說，最低割縫壓力應大于50 MPa；通過水壓監測儀監測結果分析可知，對于割縫后8214工作面頂板來說，縫槽最小起裂水壓力為10.8 MPa，最小失穩水壓力為11.5 MPa。

（3）高壓水力“割-壓”破裂斷頂卸壓技術可以使臨空巷道煤柱上方堅硬懸頂垮落，作用在煤柱上方的載荷降低，支承壓力整體降低，煤柱應力環境得到改善，臨空巷道應力水平整體降低，錨桿（索）受力大幅度降低，煤柱側鼓幫現象得到控制。