斜溝煤礦迎采掘巷水力壓裂切頂卸壓技術研究

翟振宇

（山西焦煤西山煤電斜溝煤礦，山西 興縣 033600）

0 引 言

斜溝煤礦為保證正常的采掘銜接部署，擬在18104 工作面回采過程當中掘進相鄰近18106 工作面的18106 皮帶巷。迎采掘巷可以達到回采工作面機電設備就近搬遷和保證采掘接續效率的目的，將比通常工作面回采結束后再掘進鄰近工作面回采巷道的工藝準備時間更短、更高效，然而回采和掘進兩個生產作業會有影響作用區域，將會引起迎采掘進巷道圍巖變形大和支護困難等問題。因此，為避免迎采掘進的18106 皮帶巷受18104 工作面采動影響，需要將水力壓裂切頂卸壓技術應用于18104 材料巷的頂板處理當中，以減輕迎采掘進的18106 皮帶巷受到的采動影響。

1 工作面情況

18104 工作面主采8 號煤層，工作面標高+765～+822 m，地面標高+1 003～+1 186 m，蓋山厚度195～400 m。西側為18102 工作面采空區，南側為實煤區，東側為18106 工作面。18104 工作面可采走向長度3 337.8 m，傾斜長283 m。煤層傾角為6.9°～10.8°，平均為8.8°。工作面煤層厚度為3.00～7.50 m，平均5.19 m，普氏硬度系數為3。18104 工作面煤層頂底板情況見表1。

表1 18104 工作面煤層頂底板情況表

18104 工作面采用綜采工藝，采高5.19 m，循環進度0.8 m，超前支護長度30 m。18104 材料巷采用矩形斷面，掘寬5.2 m，掘高3.8 m。迎采掘進的18106 皮帶巷長度4 016 m，為矩形斷面，掘寬5.8 m，掘高3.8 m。兩巷均采用錨網索帶聯合支護形式，底板采用標號C25 的水泥硬化，高度200 mm。

2 水力壓裂切頂卸壓技術

2.1 水力致裂工藝

水力壓裂的工藝示意如圖1 所示，水利壓裂系統由高壓泵（含高壓膠管、水箱和電控箱）、封隔器、安裝桿、實時監控系統所組成，其施工工藝為打設鉆孔→安裝封孔器→開泵高壓注水→停泵卸壓→拆移相關裝備。

圖1 水力壓裂工藝示意圖

2.2 迎采掘巷圍巖控制思路

工作面回采產生的動壓主要是由覆巖中的厚硬中粗粒砂巖的破斷失穩引起，而且其影響區集中在工作面后方60 m 范圍，該堅硬巖層在采空區一定范圍的持續活動和在巷道煤柱側的懸頂附加載荷，將造成迎采動巷道圍巖的持續不穩定。因此，為避免迎采掘進的18106 皮帶巷受18104 工作面采動影響，需要將水力壓裂切頂卸壓技術應用于18104 材料巷的頂板處理當中，以破壞其頂板的整體性和穩定性，使其在回采過程中及時斷裂卸壓。水力壓裂切頂卸壓的原理如圖2 所示。

圖2 水力壓裂切頂卸壓原理圖

3 水力壓裂切頂卸壓技術方案

在18104 材料巷內貼煤柱幫垂直向上施工水力壓裂鉆孔，距幫300～500 mm，鉆孔長度為12 m，鉆孔直徑為42 mm，鉆孔間距7 m，單排布置的方式，通過配套的小孔徑封隔器對其實施分段壓裂。由于堅硬頂板的厚度較大，因此需要多層壓裂，考慮到分段距離會導致裂縫的貫通，一般不小于1.5 m，確定分段距離為2 m，也就是對基本頂進行5 段水力壓裂。根據現場頂板和開泵注水的變化情況，適時調整水力壓裂鉆孔的長度、間距等參數。水力壓裂鉆孔布置如圖4 所示。

圖3 水力壓裂鉆孔布置

為了保證水力壓裂過程中裂縫效果，采用大排量壓裂方式，壓力泵排量200 L/min。鑒于基本的較為堅硬，其普氏系數為6～7，抗拉強度為8～12 MPa，按水壓富余系數為2 倍予以考慮，壓力泵的所提供壓力要大于40 MPa。

4 水力壓裂切頂卸壓技術措施

4.1 液壓鉆車安全技術措施

1）操作液壓鉆車只有經過培訓合格被授權操作的專職司機才能操作，操作者限定2 人，1 人操作機器（操作者在開車前必須檢查確認周圍確實安全）、1 人更換鉆桿，更換鉆桿時需注意協調配合好，以防推力過大導致鉆桿斷裂崩傷更換鉆桿人員。

2）開機前必須檢查確認頂板的支護可靠并應認真檢查機器狀況，在裝卸時一定要注意周圍人員，避免在機器移動過程中碰撞人員。在破碎時，特別是破碎硬巖時，會產生一定的振動，造成沖擊效率降低，良好的接地可以加強穩定性，減少振動。若施工深孔失效后，需在距原孔200 mm 處重新施工深孔。

4.2 水力壓裂安全技術措施

1）現場作業人員要按規定程序進行注水作業操作，根據現場高空作業情況配置高凳或者搭設腳手架，若作業高度大于2 m，登高人員必須系安全繩防護。在注水地點附近要吊掛CO、CH4傳感器，其有毒有害氣體不超標時方允許通電開動。

2）在水力壓裂作業時，作業人員要與注水孔的間距超過20 m，避免高壓水流及水管竄出對作業人員造成人身安全傷害。若出現鉆孔中涌出大量裂隙水時，必須立即斷電并停止施工，在保證安全的情況下用封隔器封閉鉆孔，其他作業人員要馬上撤出，待地測部門查清情況排除隱患后，方允許繼續施工。

3）在結束水力壓裂作業后，采用黃泥來封閉鉆孔，其封閉長度自鉆孔口往孔內要大于1 m，在高壓泵斷電撤出封隔器前，注水鉆孔附近禁止作業人員進入，避免封隔器滑出對作業人員造成人身安全傷害。

5 水力壓裂切頂卸壓技術效果

為檢驗水力壓裂切頂卸壓技術應用效果，圖4所示為水力預裂5 號鉆孔窺視結果。

圖4 水力預裂5 號鉆孔窺視結果

由圖4 可以看出，受高壓注水的影響，水力預裂5 號鉆孔在3～4 m、7～8 m 的范圍內具有顯著的豎向裂隙帶，其寬度范圍為1～4 mm。因此，在工作面回采過程當中，豎向裂隙帶可以及時延伸發展，堅硬的厚層基本頂也可以被及時切斷垮落，從而保證迎采掘進巷道圍巖的穩定性。

6 結 語

為避免迎采掘進的18106 皮帶巷受18104 工作面采動影響，通過將水力壓裂切頂卸壓技術應用于18104 材料巷的頂板處理當中，通過鉆孔窺視對水力壓裂切頂卸壓技術應用效果進行檢驗得出，受高壓注水的影響，水力預裂5 號鉆孔在3～4 m、7～8 m 范圍具有顯著的豎向裂隙帶，其寬度范圍為1～4 mm。因此，在工作面回采過程當中，豎向裂隙帶可以及時延伸發展，堅硬的厚層基本頂也可以被及時切斷垮落，從而保證迎采掘進巷道圍巖的穩定性。