王坡煤業堅硬頂板長水平孔水力壓裂卸壓技術應用

張 偉

（山西天地王坡煤業有限公司，山西 晉城 048021）

動壓巷道面臨礦壓顯現劇烈、變形量大等問題，研究表明動壓巷道大變形的原因往往是覆巖采動形成的支承壓力作用。為此，提出了卸壓技術用于治理動壓巷道大變形問題。目前常采用的卸壓技術包括：切縫卸壓、鉆孔卸壓、松動爆破、水力壓裂等[1-5]。本文以王坡煤業3203 運輸巷為試驗巷道，提出采用堅硬頂板長水平孔水力壓裂卸壓技術進行超前卸壓，以緩解巷道受工作面采動應力的影響。

1 工程概況

3203 工作面位于二采區北翼，工作面平均埋深500 m。工作面開采3#煤層，煤層平均5.76 m，平均傾角6°，煤層普氏系數約2.0。煤層以亮煤為主，堅硬，裂隙較發育。工作面直接頂為泥巖，厚度約為1.5 m，松軟；基本頂為細砂巖，厚度約12.0 m，堅硬。工作面兩側分別為3201 和3205 工作面采空區，根據礦井開采經驗，3203 工作面開采時，其回采巷道超前應力顯現強烈，易造成巷道嚴重底鼓（3201 運輸巷最大底鼓達2.0 m），影響工作面安全和正常開采速度。為實現工作面的安全高效開采，設計在3203 工作面回采之前，對上部堅硬頂板進行井下長水平孔壓裂，切斷堅硬頂板的側向懸頂，緩解巷道受工作面采動應力的影響。

2 堅硬頂板長水平孔水力壓裂卸壓技術

2.1 長水平孔水力壓裂卸壓基本原理

長水平孔水力壓裂卸壓技術是通過施工長水平定向鉆孔，對擬壓裂段進行封孔，并注入高壓水，利用高壓水在鉆孔產生的集中拉應力使裂隙在頂板巖層中擴展，從而將完整而較堅硬的頂板巖層分割成多層，并達到連通裂隙和有序垮落的目的（構筑條帶弱化范圍）。在堅硬頂板構筑條帶弱化范圍不僅可以改善本工作面端頭和采空區上方頂板的空間結構形態，而且可以調整相鄰工作面采空區內處于暫時穩定的覆巖空間結構形態，降低兩側采空區頂板巖層向工作面端頭巷道傳遞應力的等級，起到調控巷道應力等級的目的[6]。

2.2 長水平孔水力壓裂卸壓技術

2.2.1 鉆孔層位確定選擇

分析3203 工作面運輸巷生產地質條件，造成運輸巷道應力顯現異常需處理的層位情況如下：

（1）工作面側向采空區頂板懸頂。3205 工作面開采時間較久，下部的細砂巖基本頂應較為破碎，處理層位選擇在區段煤柱上方30 m 處的砂巖交互層。

（2）工作面采空區側頂板懸頂。工作面端頭和中部頂板懸頂壓力也會傳遞至兩巷，在距離煤層20 m 處的頂板處布置鉆孔以切斷工作面懸頂應力傳遞，同時，促進基本頂的順利垮落，該鉆孔內錯運輸巷道20 m。

（3）工作面上部高位結構懸頂。由于是孤島工作面，開采后上部高位頂板存在大范圍垮落可能，為此在工作面頂板40 m 處布置高位壓裂鉆孔，降低該巖層在巷道附近懸頂整體面積，同時促進頂板及時垮落充填采空區，減小頂板結構的整體偏轉活動空間，從而降低上位頂板的應力傳遞規模。

2.2.2 鉆孔布置

3203 工作面運輸巷施工6 個鉆孔，鉆孔均為巷道切頂區域壓裂孔，鉆孔布置的層位平剖面圖如圖1～圖3 所示，具體布置如下：

圖1 鉆孔布置層位平面示意圖

圖2 工作面切眼方向鉆孔布置層位剖面圖（m）

圖3 工作面停采線方向鉆孔布置層位平面圖（m）

（1）鉆進朝向工作面切眼方向，共布置3 個鉆孔：1 號鉆孔、2 號鉆孔和3 號鉆孔。

① 1 號鉆孔位于3203 工作面和3205 工作面區段煤柱上方，距離運輸巷巷幫10 m，高度位于煤層頂板上方30 m 砂巖交互層位內。

② 2 號鉆孔位于3203 工作面實體煤上方，距離運輸巷巷幫20 m，高度位于煤層頂板上方20 m砂巖交互層位內。

③ 3 號鉆孔位于3203 工作面實體煤上方，距離運輸巷巷幫10 m，高度位于煤層頂板上方40 m粉砂巖層位內。

（2）鉆進朝向工作面停采線方向，共布置3個鉆孔：4 號鉆孔、5 號鉆孔和6 號鉆孔。

① 4 號鉆孔位于3203 工作面和3205 工作面區段煤柱上方，距離運輸巷巷幫10 m，高度位于煤層頂板上方30 m 砂巖交互層位內。

② 5 號鉆孔位于3203 工作面實體煤上方，距離運輸巷巷幫20 m，高度位于煤層頂板上方20 m砂巖交互層位內。

③ 6 號鉆孔位于3203 工作面實體煤上方，距離運輸巷巷幫10 m，高度位于煤層頂板上方40 m粉砂巖層位內。

2.2.3 定向鉆孔參數設計

（1）設計雙向鉆孔6 個；（2）鉆孔孔徑120 mm；（3）封孔長度≥15 m；（4）封孔方式為水泥注漿/一堵一注。具體鉆孔參數見表1。

表1 定向鉆孔參數 m

3 巷道礦壓監測

在3203 工作面回采之前采用堅硬頂板長水平孔水力壓裂卸壓技術對3203 運輸巷堅硬頂板進行超前卸壓，在3203 工作面回采期間，監測了3203運輸巷圍巖變形情況，監測結果如圖4。3203 運輸巷超前工作面150 m 處，開始出現了變形，但變形量相對較小；超前工作面50～150 m 范圍內，巷道變形速度較小；超前巷道50 m 范圍內，巷道變形顯著增加。3203 工作面回采期間，3203 運輸巷頂板下沉量在0.26～0.43 m 范圍，兩幫移近量在1.1～1.2 m 范圍，底鼓量在0.52～0.73 m 范圍，同比鄰近巷道變形量降低了50%以上，表明堅硬頂板長水平孔水力壓裂卸壓技術有效緩解了3203 運輸巷變形，實現了巷道的穩定控制。

圖4 3203 運輸巷巷道變形曲線

4 結論

為緩解3203 運輸巷受采動影響出現的大變形現象，提出采用堅硬頂板長水平孔水力壓裂卸壓技術對3203 運輸巷堅硬頂板進行超前卸壓。基于此，介紹了長水平孔水力壓裂卸壓技術基本原理，設計了卸壓技術參數。技術應用后，3203 運輸巷變形同比鄰近巷道降低了50%以上，表明堅硬頂板長水平孔水力壓裂卸壓技術的合理性和可靠性，實現了3203 運輸巷堅硬頂板的超前卸壓及其穩定控制。