中興礦1209運輸巷水力壓裂切頂卸壓技術實踐

閆樹鵬

(汾西礦業集團 中興煤業公司，山西 交城 030500)

1 工程背景

汾西礦業集團中興煤礦屬于高瓦斯礦井，1209工作面位于一采區北翼，走向長1 252 m，傾向長1段163 m、2段151 m。北面為安則村保安煤柱線，南面為一采總回風巷、東翼軌道巷、東膠帶巷，東面為1207工作面(未采)，西面為1211工作面(已采)。工作面標高700～765 m，蓋山厚度452.7～630.8 m，工作面布置見圖1。綜采1209工作面目前正在回采，預計相對瓦斯涌出量為7.8 m3/t,絕對瓦斯涌出量為7.6 m3/min。工作面采用了沿空留巷充填技術，實現無煤柱開采，提高資源回收率，延長礦井服務年限，也解決了生產銜接緊張問題。同時因為沿空留巷形成兩進一回“Y”型通風方式，也解決了工作面高瓦斯問題，使工作面安全程度大幅提高。但是回采過程中,工作面超前及側向支承壓力影響對充填墻體強度和留巷支護也帶來了嚴峻挑戰。

圖1 1209工作面布置

針對以上技術難題，礦方引進水力預裂超前切頂卸壓技術，在1209運輸巷上方頂板進行超前水力預裂，使頂板巖層產生裂隙，破壞頂板巖層完整性，減少懸頂降低煤柱中的應力集中程度，從根本上改善充填墻體和留巷的維護難度。

2 水力壓裂技術介紹

水力壓裂技術自提出以來，已應用于石油和天然氣工業、水利水電工程、地熱資源開發、核廢料儲存、地應力測量等領域，顯示出廣泛的工業應用價值。水力壓裂作為經濟、安全、高效的堅硬頂板控制技術，已在我國部分煤礦得到了驗證，成為我國煤礦堅硬難跨頂板控制的有效手段。我國眾多學者對其機理進行了研究，表明水力壓裂可使頂板巖層定向壓裂、破壞頂板巖層的完整性，進而削弱頂板的強度和整體性，使采空區頂板能夠分層分次垮落，縮短初次來壓和周期來壓步距，達到減小或消除堅硬難垮頂板對工作面回采危害的目的。

鑒于水力壓裂可削弱巖層的整體性和穩定性，并能定向切割頂板巖層，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。同時，水力壓裂技術具有安全性高、工程量小、成本低及適應性強(如高瓦斯礦井)等特點。該技術已經在晉城、潞安、邢臺、伊泰、中煤蒙陜、神東、神南礦區推廣應用，取得了良好的技術與經濟效益。

3 水力壓力切頂卸壓方案設計

1209工作面開采4號煤層，根據1209工作面巷道掘進揭露情況分析：4號煤頂板節理較發育，部分地段較破碎，壓力大，偽頂易垮落，工作面在掘進中將揭露大小斷層3條。

施工順序：記錄頂板巖層結構—確定壓裂參數—壓裂鉆孔施工—實施壓裂—壓裂監測。

具體巷道施工位置根據現場條件調整。鉆孔參數根據頂板巖層厚度、巖性、礦壓顯現特點與范圍，壓裂鉆孔布置見圖2。

圖2 1209巷水力壓裂鉆孔布置(m)

為了避免影響工作面正常生產以及施工工期的要求，試驗段位置應超前工作面150 m。布置壓裂鉆孔S，鉆孔朝向工作面切巷。

鉆孔參數：鉆孔長30 m，孔間距為8 m，仰角為45°，偏角20°；壓裂位置：鉆孔15～30 m，每2 m水力預裂1次，共壓裂8次，采用倒退式壓裂，壓裂垂直距離在頂板以上10～20 m范圍內，壓裂水平距離在充填墻體靠近采空區墻邊1～6.5 m范圍內。

壓裂鉆孔的施工，鉆頭直徑為56 mm，鉆桿直徑宜采用42 mm。

4 現場工業性試驗

1209運巷超前水力壓裂，于2019年6月12日開始施工，8月5日施工完畢。共計施工42個鉆孔，鉆孔工程量1 230 m，試驗344 m，平均孔深29 m，最深孔為21號孔，孔深40 m；最淺孔為41號孔，孔深23 m。1號孔于8月8日進入留巷，目前1～25號孔已進入留巷，1號孔已進入留巷211 m。水力壓裂壓力10～26 MPa，平均18 MPa，其中靠鉆孔上部水力壓裂壓力較大(因上部為砂巖，硬度較大)。

4.1 巷道圍巖變形監測結果分析

將1209運巷水力壓裂段進入留巷和未壓裂段進入留巷進行礦壓監測結果比較，分別在進入留巷的未壓裂段設置1個觀測點，壓裂段設置3個觀測點(1號、11號及21號孔)。隨工作面的推進距離增加，從巷道圍巖變形量和留墻變形情況結果進行分析(壓裂段數據取自2019-8-10—2019-9-29期間)未壓裂段與壓裂段隨工作面推進巷道變形量如圖3和圖4所示。

圖3 未壓裂段隨工作面推進巷道變形量

圖4 壓裂段隨工作面推進巷道變形量

通過對未壓裂段隨工作面推進巷道變形趨勢與壓裂段隨工作面推進巷道變形趨勢進行比較，對巷道圍巖變形監測數據的分析、對比可以看出：

運巷進入留巷后隨回采繼續向前推進距離的增加，未壓裂段和壓裂段圍巖變形量均在增加，且未壓裂段圍巖變形量呈現快速增長，而壓裂段呈緩慢增長，兩者差別較大。壓裂孔進入留巷后工作面繼續推進211 m結果進行分析，未壓裂段頂底板最大移近量為1 070 mm，兩幫收縮量為160 mm；壓裂段頂底板最大移近量為600 mm，兩幫收縮量為35 mm；壓裂段頂底板移近量為未壓裂段的56%，壓裂段兩幫收縮量為未壓裂段的22%。

4.2 留墻收縮量監測數據結果分析

未壓裂段與壓裂段沿空留墻情況對比如圖5所示，通過未壓裂段進入留巷后留墻變形情況與壓裂段進入留巷后留墻變形情況對比可以看出：壓裂段在進入留巷后留墻的變形量較大，而壓裂段在進入留巷后留墻的變形量較小。由此可以肯定，通過超前預裂可以對留墻起到保護的作用，降低了后期的巷道維護成本。

圖5 沿空留墻情況對比

4.3 采空區頂板垮落

壓裂段采空區及留墻里側頂板情況如圖6所示，通過對壓裂段進入留巷后采空區效果觀察可以看出：

圖6 壓裂段采空區及留墻里側頂板情況

1) 采空區頂板呈臺階式垮落，在留墻里側1 m位置可觀察到臺階式斷裂現象(原為三角懸板結構)。從上部采空區到留墻范圍內的頂板進行預裂后，上部巖層對留墻造成的壓力較小。

2) 采空區側用于擋矸的鋼筋網片受力較小無較大變形。

3) 留墻里側的頂板較完整，采空區的矸石不會對留墻造成影響。

4) 留墻上方頂板比較平整，無吊包、漏渣等情況。

5 結 語

1) 水力預裂切頂卸壓技術配合柔模高水速凝充填沿空留巷針對長距離大埋深高地應力地質條件具有較好的適用性，可以提高沿空留巷率、降低返修率。

2) 水力壓裂在現場施工過程中也存在一定問題：水力預裂切頂卸壓技術需要在工作面開始推進前進行，必須按照采掘銜接計劃進行施工，造成施工隊伍安排的局限性。如果提前施工會破壞預裂段頂板的完整，后期還需進行補強支護，增加了生產工序。作業過程中會產生大量的回水，并直接排放到巷道內，給標準化工作帶來管理難題。