鄰采空區深部高應力回采工作面超前動壓治理技術研究

文/戎生權

煤礦深部鄰空巷道在回采過程中同時受本工作面和相鄰工作面動壓影響，巷道超前變形量大且影響范圍廣，后期需要大量維護工作，嚴重影響礦井安全生產。針對山西焦煤霍州煤電集團李雅莊煤礦2-6101巷回采超前巷道變形情況，提出利用水力壓裂技術預裂關鍵堅硬巖層，降低頂板的整體性和穩定性，減少回采超前應力傳遞。試驗結果表明,通過對回采超前頂板關鍵層進行水力壓裂，降低了回采超前支承壓力，巷道變形得到改善，大幅減小了巷道變形量和超前維修量，防范了安全風險，提升了生產效益。

一、工程概況

李雅莊煤礦現開采2#煤層，2-610工作面平均埋深550m，煤層平均厚度為3.3m，夾矸厚0.3m左右，工作面順槽長1800m，煤層傾角5°～13°，平均6°，煤層硬度（f）為0.6～1。

2-6101巷與相鄰的2-612工作面采空區凈煤柱20m，2-612工作面回采結束約1年。因此，2-6101巷掘進時為沿較穩定的采空區邊緣掘巷，巷道礦壓較小，支護效果較好。但在2-610工作面回采期間，2-6101巷超前兩幫和頂底板出現大幅度變形。受本工作面回采和相鄰工作面應力影響，回采巷道超前影響范圍達150m，超前60m范圍內巷道變形劇烈，頂底板移近量達1.5m，兩幫回縮達1.7m，無法滿足回采正常使用，嚴重影響安全生產。巷道返修量大，巷道需要進行兩次起底才能達到1.8m的安全高度，才能保證安全通行和設備列車移設，嚴重制約回采效率和速度。回采超前60m范圍采用單體柱配套π梁“一梁四柱”形式加固，超前60m至150m范圍采用單體柱配套π梁“一梁兩柱”形式加固，回采超前巷道維護工作量大，出現多處單體柱被壓死、壓斷、壓彎，π梁普遍嚴重彎曲變形，甚至壓斷。處理和更換壓死、壓斷的單體柱和π梁需要投入大量的人力和物力。

為降低煤礦深部鄰空巷道超前動壓影響，提出采用超前切頂卸壓的措施，以降低本工作面回采的超前支承壓力。在2-610工作面回采約800m時，在2-6101巷采取水力壓裂切頂技術，減小其回采超前影響段維護量。根據李雅莊礦已開展的研究工作，六采區2#煤工作面開采后，冒落帶高度為7.8～12.2m，裂隙帶高度為32.8～40m。

在2-6121系統巷進行圍巖地質力學測試：最大水平主應力為20.91MPa，最小水平主應力為11.44MPa，垂直應力為12.44MPa。根據地應力等級判斷標準，該區域地應力場在量值上屬于高等應力區。通過查看鉆孔巖性柱狀圖可知，頂板40m范圍內存在三層厚度為4.8m、3.2m、6m的關鍵堅硬砂巖，砂巖強度為60～70MPa。

二、水力壓裂方案

1.水力壓裂技術

水力壓裂是向巖層鉆孔中注入高壓水，在頂板巖層形成大量微小裂隙并逐步擴展，以降低目標巖層的巖石結構力和強度，使堅硬頂板的來壓步距明顯縮短并及時垮落，達到使堅硬頂板工作面安全高效生產、增加資源采出率等目的。

2.水力壓裂參數設計

為保證回采工作面正常生產需要，在2-6101巷超前150m外開始進行水力壓裂施工。分別施工鉆孔S和鉆孔S′，其與巷道軸線方向分別呈90°和3°～5°角，鉆孔深度40m，鉆孔直徑的選擇需要滿足封孔器最大保壓，封孔器直徑過大或過小都難以達到封孔器的高壓保壓。此次施工采用直徑60mm的高強鉆頭，并且要求采用保證鉆孔光滑度的高強度護翼鉆頭，鉆孔的施工需根據現場實際盡可能貼近煤柱側，保證鉆孔的直線度。

切頂鉆孔參數如下：

（1）壓裂鉆孔—S，長40m，間距16m，仰角50°；

（2）壓裂鉆孔—S′，長40m，間距8m，仰角50°。

水力壓裂采用后退式，從孔底開始每隔3m壓裂一次，每個鉆孔設計壓裂8次，當巷道頂板或頂板錨桿錨索有出水時即可停止本孔壓裂。鉆孔深度需要根據頂板巖性變化情況及時調整，保證頂板關鍵巖層可以充分壓裂，壓裂過程中可根據相鄰鉆孔實際出水情況和注水保壓壓力，在保證頂板壓裂效果的基礎上優化切頂鉆孔施工參數和每個鉆孔的壓裂次數，以降低壓裂工作量。

3.現場施工工藝

（1）水力壓裂施工工藝。主要包括：施工壓裂鉆孔、鉆孔巖性窺視、確定壓裂位置、安裝封孔器、試壓、注水保壓等。

（2）水力壓裂相關裝備。主要包括：切頂鉆機、高壓注水封孔器、高壓注水桿、高壓水連接管、水壓記錄儀、高壓注水桿推桿裝置。

（3）施工工藝和安全注意事項。作業前檢查壓裂作業范圍巷道頂板安全、檢查管路連接口確保完好可靠，送封孔器過程中，將尼龍管和高壓推桿用扎帶固定好，保證高壓推桿固定牢固。高壓水泵需空載啟停，禁止帶壓啟泵。空載啟泵后，首先將高壓水泵壓力緩慢增加至20～25MPa，先對封孔器注水，待封孔器壓力至20～25MPa后，關閉封孔器注水閥門，等待10s，再查看封孔器是否完好。隨后緩慢打開注水管閥門，待壓力穩定后，緩慢給高壓水泵增壓至20～25MPa。壓裂過程中需時刻查看封孔壓力、注水保壓壓力、高壓水泵壓力和水箱水量變化。孔內一個壓裂點保壓時間為30min，本孔或相鄰孔出水較大時可提前結束一次壓裂。一個循環壓裂完成，注水和封孔器全部卸壓后，需等待約3～5min，待本孔水全部流出后，人員方可進入壓裂地點實施第二循環壓裂。

三、頂板卸壓監測結果分析

1.測站布置

為評價壓裂效果，在2-6101巷壓裂段往里每隔50m布置一組礦壓監測站，壓裂段每隔20m布置一組礦壓監測站，停采線往外布置3組礦壓監測站，監測內容包括巷道底鼓量、頂板下沉量和兩幫移近量。

2.底鼓量分析

非壓裂段巷道底鼓變形從回采巷道超前約150m開始顯現，進入超前60m范圍內底鼓量劇烈增加。

1～7#測站（壓裂段）底鼓變化監測數據表明，壓裂卸壓段底鼓在回采超前150m開始顯現，但從超前150m到60m，底鼓變形變化不大；最終壓裂段底鼓量變化介于170～270mm之間，局部最大320mm。

3.頂板下沉量分析

在非壓裂段工作面超前150m處開始出現頂板下沉，頂板下沉量在超前60m處開始劇烈變形。

1～7#測站頂板下沉變化監測數據表明，壓裂卸壓段在超前約150m處頂板下沉顯現，但在超前150m至60m范圍內下沉幅度變化不大，頂板最終沉降量遠低于未卸壓段，介于85～250mm之間。

4.兩幫移近量分析

在非壓裂段工作面超前150m即有兩幫移近現象，從超前60m起明顯增加，非壓裂段測站監測數據顯示兩幫移近量最大為1.7m。水力切頂卸壓后，在超前150m起兩幫開始有少量移近現象，但在超前150m到超前60m范圍內變化不大，兩幫移近變形在超前回采面60m才開始有明顯增加。最終移近量較非壓裂卸壓段有大幅降低，在265～370mm之間。

四、結論

通過巷道變形量監測對比分析，可得出以下結論。

（1）水力壓裂卸壓效果顯著，降低了回采超前支承壓力，大幅減小了巷道變形量和超前維修量。

（2）保證了2-6101巷回采超前安全出口達到安全標準化的要求，防范了安全風險，降低了回采超前維護段職工操作的難度和強度，創造了安全環境，確保了安全效益最大化；降低了回采超前維護段的材料費用和人工成本投入，實現了經濟效益最大化。

（3）水力壓裂切頂在李雅莊煤礦2-6101巷的成功應用，為控制煤礦深部臨空巷道超前動壓提供了解決方案，同時通過水力壓裂弱化堅硬巖石切頂卸壓技術的成功試驗，可為瓦斯抽采、回采工作面隅角控制、沖擊地壓防治、小煤柱巷道變形治理等提供新的解決方案，保障礦井安全高效開采。