采煤工作面巷道水力壓裂切頂卸壓技術研究

收稿日期：2024-03-19

作者簡介：郭龍江（1986—），男，貴州貴陽人，助理工程師。研究方向：采礦、機電運輸。

摘要：某煤礦2304工作面懸頂垮落，造成巷道變形嚴重。采用水力壓裂切頂卸壓技術破壞頂板巖層完整性，減小頂板垮落對工作面的破壞?，F場工程實踐表明，卸壓后巷道最大頂底板變形量均在安全范圍內，水力壓裂切頂卸壓取得良好的施工效果。

關鍵詞：采煤工作面；巷道；水力壓裂；切頂卸壓；頂板垮落

中圖分類號：TD327.2 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）05-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.05.025

Research on hydraulic fracturing and roof cutting pressure relief technology for coal mining Face roadway

GUO Longjiang

（Guizhou Branch of Hunan ABS Inspection and Certification Co.， Ltd.， Guiyang 550081， China）

Abstract： The suspended roof collapse of the 2304 working face in a certain coal mine causes severe deformation of the roadway. The hydraulic fracturing and roof cutting pressure relief technology is adopted to damage the integrity of the roof rock layer and reduce the damage of the roof collapse to the working face. On site engineering practice has shown that the maximum deformation of the roof and floor of the roadway after pressure relief is within the safe range， the hydraulic fracturing and roof cutting pressure relief have achieved good construction results.

Keywords： coal mining face; roadway; hydraulic fracturing; roof cutting pressure relief; roof collapse

采煤工作面回采后，若頂板巖層較為堅硬，基本頂不易斷裂，易形成大面積懸頂，如果突然垮落，就會釋放巨大的能量，極易造成設備的損壞和人員的傷亡[1-2]。同時，大面積的懸頂會使巷道頂板出現高集中應力，巷道圍巖變形大，變形速率快[3]。水力壓裂切頂卸壓技術可以有效將高集中應力向煤巖體內部轉移，縮短初次來壓和周期來壓步距，降低頂板垮落時釋放的能量，減小頂板垮落對工作面的破壞[4-5]。以某煤礦2304工作面為研究對象，采用水力壓裂切頂卸壓技術切割頂板巖層卸壓，取得良好的施工效果，有效提高巷道圍巖的穩定性。

1 工作面概況

2304工作面位于二采區右翼，東側為井田邊界，北側與2301工作面相鄰，南側為2311工作面采空區，西側為采區3條大巷。2304工作面埋深約為750 m，主采3號煤層，平均煤厚為3.8 m，平均傾角為2°。煤層頂板主要為砂質泥巖、細砂巖，底板主要為泥巖、粉砂巖。工作面回采后，直接頂垮落較為及時，但基本頂細砂巖承載能力強，易形成大面積懸頂，垮落時礦壓顯現劇烈，需要采用水力壓裂切頂卸壓技術切割頂板巖層卸壓，降低頂板垮落時對圍巖的破壞。

2 切頂卸壓成巷機理

水力壓裂切頂卸壓技術是通過向鉆孔注入高壓水流，在原生裂隙和水壓裂隙共同作用下，將頂板巖層長臂梁結構變為短臂梁結構，切斷、破壞頂板巖層的整體性，使巷道周圍的高集中應力向煤巖體深部轉移，縮短初次來壓和周期來壓步距，降低頂板垮落時釋放的能量，減小大面積懸頂垮落釋放的能量對回采期間人員和設備的危害。

3 水力壓裂切頂卸壓數值模擬

3.1 模擬方案

采用FLAC 3D軟件模擬2304工作面水力壓裂切頂卸壓后圍巖應力、位移分布情況。建立規格300 m×130 m×30 m的力學模型，X軸、Y軸與Z軸方向分別施加6.00 MPa、10.00 MPa和16.23 MPa的應力，力學參數如表1所示。

3.2 模擬結果分析

2304工作面水力壓裂切頂卸壓前后圍巖應力分布如圖1所示。2304工作面水力壓裂切頂卸壓前，覆巖重力經懸臂梁傳遞至煤柱，巷道圍巖應力升高，應力值達到20 MPa。卸壓后，圍巖應力向煤巖體深部轉移，應力值降低至16 MPa，減少20%。

2304工作面水力壓裂切頂卸壓前，巷道圍巖變形量大，最大頂底板、兩幫變形量分別為250 mm、150 mm。卸壓后，巷道頂底板變形量減少較為明顯，最大頂底板變形量降低至100 mm，減少60%；兩幫變形量減少不明顯，最大兩幫變形量為140 mm。

4 工程實踐

4.1 參數設計

設計參數有3個。一是注水壓強。根據煤巖體單軸抗拉強度，采用式（1）確定注水壓強。根據2304工作面地質情況，將相關參數值代入式（1），可得注水壓強大于15 MPa。二是切頂高度。切頂卸壓后，垮落煤巖體壓實采空區，根據式（2）計算切頂高度。根據2304工作面地質情況，將相關參數值代入式（2），可得切頂高度大于20 m。三是鉆孔布置。結合2304工作面地質情況等因素，設計2種鉆孔布置方式，如圖2所示。不同鉆孔布置方式適用區域不同，Ⅰ類鉆孔布置在運輸巷和運料巷內，向回采幫施工，孔深為50 m，與煤體的夾角為30°；Ⅱ類鉆孔布置在兩巷內，向煤柱幫施工，孔深為43 m，與煤體的夾角為40°。

式中：P為注水壓強，MPa；k為安全系數，取1.2～1.4；Pz為煤巖體內應力，MPa；R為目前層位單軸抗拉強度，MPa；H為切頂高度，m；M為工作面采高，m；H1為直接頂垮落高度，m；H2為采空區底板鼓起量，m；K為碎脹系數，取1.2～1.6。

4.2 施工工藝

2304工作面施工鉆孔后，采用窺探儀檢查鉆孔情況，如果鉆孔完整，未塌孔，則對鉆孔進行開槽。鉆孔封孔后，采用高壓泵進行水力壓裂施工，施工前在鉆孔前后20 m設置警戒線，確保人員安全。高壓注水時，時刻關注壓強變化及巷道頂板情況，若出現壓強驟降或頂板響動等情況，停止加壓，用窺探儀檢查壓裂效果。

5 效果檢驗

2304工作面采用水力壓裂切頂卸壓技術切割頂板巖層卸壓后，采用十字布點法觀測巷道表面位移，驗證卸壓效果。Ⅰ斷面、Ⅱ斷面巷道圍巖變形量監測結果如圖3所示。

Ⅰ斷面主要監測巷道兩幫和底板變形量，當工作面推過測站450 m時，巷道底板變形量達到1 200 mm，此時頂板、左幫和右幫變形量較小，分別為100 mm、300 mm和400 mm。Ⅱ斷面主要監測巷道底板變形量，當工作面推過測站96 m時，巷道底板變形量達到280 mm，隨著工作面繼續推進，底板變形量會進一步增加，此時，頂板、左幫和右幫變形量較小，分別為110 mm、50 mm和90 mm。2304工作面采用水力壓裂切頂卸壓技術切割頂板巖層卸壓后，巷道頂板、底板變形量明顯減小，雖然兩幫變形量變化較小，但從變形量來看，水力壓裂有效控制巷道圍巖出現較大范圍的變形破壞。

6 結論

該煤礦2304工作面頂板巖層強度高，工作面回采后易形成大面積懸頂，采用水力壓裂切頂卸壓技術能夠破壞頂板巖層的整體性，縮短初次來壓和周期來壓步距，減小頂板垮落對工作面的破壞。數值模擬結果表明，水力壓裂切頂卸壓后圍巖未出現高集中應力，圍巖完整性好，應力值由20 MPa降低至16 MPa，最大頂板變形量由250 mm降低至100 mm，卸壓效果較好?，F場工程實踐后，采用十字布點法觀測巷道表面位移，最大頂板變形量僅為110 mm，正常底板鼓起量為280 mm，變形量改善較為明顯。因此，水力壓裂切頂卸壓效果較好。

參考文獻

1 張躍錚.厚煤層堅硬頂板工作面水力壓裂切頂卸壓技術研究[J].山東煤炭科技，2023（6）：72-74.

2 程東營.水力壓裂切頂卸壓技術在綜采放頂煤工作面回風順槽的應用[J].能源技術與管理，2024（1）：86-89.

3 楊 旭，王 濤，李 明.孤島工作面長水平深孔全長水力壓裂卸壓機理及多參量效果分析[J].煤礦安全，2024（2）：147-158.

4 許晉斌.堅硬頂板水力壓裂超前切頂護巷技術應用研究[J].煤炭技術，2023（7）：50-56.

5 張俊虎，劉愛卿，張 強.定向水平鉆孔水力壓裂卸壓護巷技術研究及應用[J].煤炭工程，2023（12）：11-14.