頂板水力壓裂切頂卸壓在動壓巷道中的技術應用

武文浩

山西焦煤西山煤電鎮城底礦 山西 太原 030200

我國煤炭雖然儲量豐富但賦存條件較為復雜，近四成的煤層存在堅硬頂板。堅硬頂板是指煤層上方直接賦存或在厚度較薄的直接頂上方存在的堅硬巖層，其主要特點為硬度大、整體性好、分層厚度大等。堅硬頂板的存在會對礦山的開采造成嚴重的影響。由于堅硬頂板極難垮落，隨著工作面的持續推進，巷道頂板形成大面積的懸頂，懸頂一旦垮落會產生一定的沖擊載荷，造成采空區的瓦斯涌出，發生瓦斯爆炸事故。鎮城底礦綜采工作面留巷巷道在強烈動壓影響下出現頂板沉降明顯、兩幫收縮量和底鼓量顯著增加、錨桿索發生破斷等問題，巷道需要反復巷修才能維持正常使用，同時順槽巷道懸頂現象明顯，影響工作面安全回采。為了解決巷道變形以及工作面上隅角懸頂問題，采用在煤柱側順槽巷道進行水力壓裂的方式提前切頂，切落煤柱上方懸臂梁，剪斷頂板巖梁應力的傳遞，減小巷道所受應力，消除懸頂現象，有效解決了動壓影響留巷巷道大變形和懸頂問題。

1 礦井概況

鎮城底礦位于西山煤田西北處，井田面積約16.63km2，年設計生產能力為190萬t。22305工作面開采的3#煤層平均厚度3.91m，平均傾角為4.6°； 煤層頂板以泥巖和砂質泥巖為主，局部含有軟弱夾層，層理裂隙發育。22305 綜采工作面，煤層厚度 5.52 m，平均傾角 4°；走向長 1714.9 m、傾斜長 220.7 m，面積378470.7 m2。工作面東部為相鄰工作面采空區，西部為22301工作面采空區，北部無工作面，南部22302工作面采空區。22305巷為一次使用順槽巷道，巷道懸頂上隅角瓦斯聚集，影響工作面安全回采，22305 巷為留巷巷道，受工作面回采動壓影響，巷道變形較大，影響正常使用22305 巷斷面為矩形，寬×高=5.2 m×3.9 m。

2 工作面水力壓裂設計方案

2.1 水力壓裂設備

采用切槽鉆頭在巖層中預制橫向切槽，切槽鉆頭外徑為 54 mm，鉆孔直徑為 56 mm。根據井下現場試驗條件，采用跨式膨脹型封隔器進行水力壓裂封孔，封隔器由彈性膜、鋼套、鋼管以及膨脹介質通道組成，封隔器的封孔膨脹介質為水、彈性膜為橡膠材料。使用 3ZSB80/62-90 型高壓水泵進行注水增壓壓裂。跨式膨脹型封隔器封孔示意圖如圖1所示。

圖1 跨式膨脹型封隔器封孔示意圖

2.2 水力壓裂參數

水力壓裂高度與老頂回轉變形的巖梁層位有關，依據公式計算老頂巖層厚度。

式中：Hi為由下而上第i層老頂巖層的厚度，m；H'i為由下而上第i層老頂分層的厚度，m；M為煤層采高，m；Ki為巖石碎脹系數，取1.15-1.33；Kz為巖石碎脹系數，取 1.33-1.5；h為直接頂厚度，m。 將22305工作面地質力學參數代入公式，計算出第2層老頂巖梁，即 6.10m砂質泥巖為巖層裂隙帶巖層，因此壓裂鉆孔垂直深度應在6.10m 以上，并盡可能加深鉆孔深度以確保效果。

根據22305工作面地質構造情況及現場實際情況，選擇22305 巷道350 m 為試驗區域，煤柱側巷幫距離皮帶 2.4-3 m。為避免工作面施工干擾，水力壓裂鉆孔施工與壓裂作業應在瓦斯抽采鉆孔施工前進行，先進行水力壓裂作業，后施工瓦斯抽采鉆孔。在223051 巷行人側布置兩排水力壓裂鉆孔，鉆孔布置如圖2所示，采用深淺孔交錯布置，深淺孔間距 5 m。第一排鉆孔為淺孔，布置在煤柱頂部與頂板的連接處，鉆孔參數為直徑 56 mm，長度 16 m，間距10 m，仰角 70°，垂直煤幫施工；第二排鉆孔為深孔，開孔位置距離煤柱 1～2 m，鉆孔參數為直徑 56 mm，長度 60 m，間距 10 m，仰角 70°，鉆孔與巷道軸線方向夾角 5°。

圖2 22305 工作面水力壓裂鉆孔布置平面圖

3 現場試驗效果分析

為分析水力壓裂對巷道圍巖變形的控制效果，在未進行壓裂段巷道和水力壓裂段巷道分別布置表面位移測站，觀測結果顯示：未采用水力壓裂技術時，巷道在工作面回采后以兩幫收縮為主，兩幫平均移近量為 554.5 mm，頂底板平均移近量為 463.5 mm。采用水力壓裂技術后，巷道在工作面回采后兩幫平均移近量減小為 328.33 mm，頂底板平均移近量減小為 140 mm。

由此可見，采用水力壓裂技術后，22305 巷道圍巖變形得到很好的控制，試驗效果明顯。分析水力壓裂施工后工作面機頭側周期來壓的變化情況，并以此了解工作面懸頂面積的變化，機頭側支架壓力監測系統所得數據見表 1。

通過對比分析機頭支架未壓裂段與壓裂段來壓數據可知，未壓裂段周期來壓步距為 20.2 m，壓裂段周期來壓步距為 18.88 m，水力壓裂后機頭側周期來壓步距減小 1.3 m 左右。水力壓裂切頂后，工作面機頭側整體工作阻力降低，說明壓裂切頂減小了工作面上隅角頂板懸頂面積，較好地解決了采空區上隅角懸頂問題，避免了上隅角瓦斯集聚給工作面回采帶來的安全隱患，為動壓條件下復雜困難巷道圍巖控制技術提供了新的科學依據。

表1 機頭支架壓裂前后阻力數據比較

4 結論

（1）通過實踐研究發現，隨著應力差的增大，巖石起裂的裂縫寬度及液體流速均呈現下降的趨勢。

（2）通過模擬分析發現，隨著水平應力差的增大，水平應力差對巖石起裂的約束作用增大，巖石的起裂偏轉角逐步增大。