堅硬頂板工作面水力壓裂切頂卸壓技術研究

冀國飛

【摘 要】 針對堅硬頂板工作面在開采過程中頂板巖體難以垮落，使得工作面后方大面積懸頂，造成臨近運輸巷圍巖變形較大的問題，本文以某煤礦15116堅硬頂板工作面為工程背景，采用水力壓裂切頂卸壓技術對工作面頂板巖體進行預裂卸壓，通過現場試驗和監測數據表明：對頂板巖體進行預裂卸壓后運輸巷道兩幫變形量減小了51.1%，頂底板變形量減小了46.5%，巷道圍巖變形得到了有效的控制，保證了回采工作面的安全。

【關鍵詞】 堅硬頂板;工作面;預裂卸壓;圍巖變形

【中圖分類號】 TD32 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）01-0014-02

本文以某煤礦15116堅硬頂板工作面為工程背景，采用水力壓裂技術對堅硬頂板進行切頂卸壓，并通過現場實測的方法研究了巷道圍巖的變形情況，此研究結果可為類似工程地質條件下的工作面堅硬頂板的弱化處理提供借鑒與參考。

1工程概況

15116工作面主采16號煤層，厚度為2.0～4.5m，平均厚度3.25m，平均傾角5°。16號煤層工作面直接頂為細粒砂巖交互層，平均厚度約7.3m，基本頂巖層為細粒砂巖和中粒砂巖，平均厚度約8.7m，屬堅硬巖層，直接底為泥巖，平均厚度約為2.1m，基本底為粉砂巖，平均厚度約為3.96m。工作面頂底板煤巖柱狀圖如圖1所示。

2水力壓裂圍巖變形機理及切頂卸壓原理

由于長壁式開采對圍巖采動影響較大，在正常的工程地質條件下，隨著回采工作面推進，后方由多層薄巖層組合而成的頂板發生垮落，采空區中垮落下的矸石承擔上覆巖層產生重力，從而分擔了采空區兩側煤柱所承擔的壓力，進而減小了為工作面服務的臨近巷道圍巖的變形。由于16號煤層直接頂和老頂均為砂巖，其硬度較大，頂板不能夠在工作面推進后及時垮落，使得煤柱長時間承受較大的載荷，這導致工作面臨近巷道圍巖發生較大變形，影響其安全使用。

水力壓裂切頂卸壓技術切割堅硬頂板，以此將上覆巖層的載荷向采空區轉移，降低區段煤柱內的應力集中程度，從而確保留巷圍巖的穩定性。一個正在回采的工作面，一側為采空區，另一側為未回采的工作面，兩個工作面間留設一定寬度的區段煤柱，煤柱上方的堅硬巖層形成懸臂式結構。采用水力壓裂技術進行頂板壓裂后，煤柱上方的堅硬巖體垮落，煤柱得到卸壓，此時留巷圍巖的穩定性將得到很大的提高。

3切頂卸壓方案

根據15116工作面的現場實際情況，在軌道巷未進行回采部分的頂板布置水力壓裂鉆孔進行切頂卸壓試驗，試驗段長度約280m，水力壓裂鉆孔之間的距離為10m，鉆孔長度為30m，鉆孔直徑為75mm，鉆孔與工作面水平方向的夾角為50°，與工作面推進的方向為75°，在鉆孔的底部從內到外依次開間距為3m的槽，各鉆孔布置如圖2所示。

壓裂鉆孔鉆進采用鉆頭直徑77mm的礦用全液壓坑道鉆機，鉆孔完成之后，使用封孔器對鉆孔進行封孔，然后使用靜水壓對封孔器進行鏡像試壓，查驗封孔器的密封性，最后連接注水鋼管并把封孔器推入到預壓裂縫位置進行壓裂，封孔器的壓力值為10MPa，高壓注水泵的水壓力值為60MPa，注水壓裂的順序為倒退式壓裂法，由孔底到孔口逐次進行，在水力壓裂施工過程中，巷道前后30m范圍內的無關人員禁止靠近施工現場。

4現場實踐分析

4.1巖變形監測

在15118運輸巷內布設圍巖變形監測點，監測切頂卸壓前后巷道圍巖的位移變形，并進行對比分析，監測點處圍巖變形曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，在水力壓裂切頂卸壓前，巷道兩幫變形值最大約229mm，水力壓裂切頂卸壓后巷道兩幫變形值最大約112mm，變形值減小了約51.1%;在水力壓裂切頂卸壓前，頂底板變形值最大約為366mm，水力壓裂切頂卸壓后頂底板變形值最大約為196mm，減小了約46.5%。由此可見，在15116工作面進行水力壓裂切頂卸壓后，15118運輸巷圍巖的位移量顯著減小，且能滿足為回采工作面服務的要求。

4.2應力分析

水力壓裂切頂卸壓前后，15116工作面煤層應力的分布情況如圖4所示。

從圖4可以看出，由于水力壓裂切頂卸壓使得工作面頂板發生冒落，落下的巖石充填工作面后方的采空區，與此同時在回采巷道的附近產生較大的應力，切頂卸壓后采空區所產生的垂直應力大于非切頂卸壓情況下的垂直應力。切頂卸壓后采空區所產生的覆巖載荷，可以有效減少煤柱的載荷。切頂卸壓后煤柱垂直應力小于非切頂卸壓情況下的垂直應力。切頂卸壓后煤柱平均垂直應力大約為14.3MPa，平均降幅大約為0.4MPa。

5結語

為控制15116工作面臨近15118運輸巷圍巖變形，采用水力壓裂切頂卸壓技術對堅硬頂板15116工作面進行處置，通過現場試驗以及巷道位移監測數據可得出，工作面采用水力壓裂切頂卸壓后，15118運輸巷兩幫變形量減小了51.1%，頂底板變形量減小了46.5%，巷道圍巖的變形顯著減小，取得了良好的控制效果。

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