原明帥

(山西汾河焦煤股份有限公司 三交河煤礦，山西 洪洞 041600)

三交河煤礦位于霍西煤田西南部，是霍州煤電集團(tuán)的主力生產(chǎn)礦井，主采煤層有2#、10#和11#煤，10#煤是該礦的重點(diǎn)開采煤層。根據(jù)目前礦井10#煤層已正常回采的2個(gè)工作面的現(xiàn)場(chǎng)施工情況看，主要存在兩個(gè)問題：1) 10#煤層在回采期間，回采工作面上、下隅角垮落不及時(shí)造成懸頂面積過大。2) 鄰近工作面在掘進(jìn)期間受采空區(qū)動(dòng)壓影響較大造成巷道變形、頂板下沉有裂隙、局部片幫等現(xiàn)象，采用錨桿聯(lián)合錨索的支護(hù)方式不能有效控制頂板。因此，采用水力壓裂切頂卸壓技術(shù)對(duì)該礦10-2011巷上方頂板進(jìn)行切頂卸壓，以解決10-201工作面上、下隅角懸頂面積過大及鄰近10-2032巷掘進(jìn)期間的支護(hù)難題。

1 10-201工作面基本情況

1.1 工作面布置

10-201工作面走向長(zhǎng)為1 589 m，2017年6月開始回采，設(shè)計(jì)的相鄰工作面為203和205工作面。10-2011巷與10-2032巷之間留設(shè)保護(hù)煤柱30 m，10-2032巷于2017年11月開始掘進(jìn)，并于2017年 8月在10-2011巷1 300 m處開展水力壓裂技術(shù)對(duì)頂板進(jìn)行定向壓裂，降低鄰近10-2032巷的支護(hù)難度。10-201及鄰近工作面布置圖見圖1.

1.2 地質(zhì)力學(xué)測(cè)試參數(shù)

對(duì)10-2011巷進(jìn)行了兩個(gè)測(cè)站圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試，第一測(cè)站的最大水平主應(yīng)力為8.58 MPa，最小水平主應(yīng)力為4.45 MPa，垂直應(yīng)力為6.66 MPa；第二測(cè)站的最大水平主應(yīng)力為7.86 MPa，最小水平主應(yīng)力為4.29 MPa，垂直應(yīng)力為6.57 MPa.

1.3 支護(hù)方式

1) 10-2011巷支護(hù)方式。

凈斷面為寬3.8 m×高2.5 m，頂板采用錨網(wǎng)梁、錨索、鋼板聯(lián)合支護(hù)，錨桿“五·五”布置，間排距900 mm×1 000 mm，肩角錨桿距幫200 mm；錨索“二·一·二”布置于頂板正中，間排距1 800 mm×3 000 mm；幫部采用錨網(wǎng)梁支護(hù)方式，錨桿“二·二”布置，間排距1 200 mm×1 200 mm，最上一根錨桿距頂200 mm,巷內(nèi)布置有皮帶。

圖1 10-201及鄰近工作面布置圖

2) 10-2032巷支護(hù)方式。

凈斷面為寬4.0 m×高2.9 m，頂板采用錨網(wǎng)、鋼帶、錨索聯(lián)合支護(hù)，頂錨索“四·四”布置，其中“一·四”施工短錨索d21.6 mm×5 200 mm，“二·三”施工長(zhǎng)錨索d21.6 mm×8 200 mm，第一、二根間距為1 125 mm，第二、三根間距為1 350 mm，第三、四根間距為1 125 mm，排距為1 000 mm，肩角錨索距幫部300 mm；幫錨桿“三·三”布置，全部上鋼護(hù)板，間排距800 mm×1 000 mm，第一根幫錨距頂板300 mm，底腳錨桿距底板1 100 mm.

2 水力壓裂技術(shù)

2.1 動(dòng)力來源

10-201工作面回采后，采空區(qū)上方巖層重量將開始向四周支承區(qū)進(jìn)行轉(zhuǎn)移，并在其周圍形成支承壓力帶。受采動(dòng)影響，沿10-201工作面推進(jìn)方向，回采空間兩側(cè)煤柱的應(yīng)力與工作面的距離不同，其影響程度也不同。遠(yuǎn)離工作面的前方是未受采動(dòng)影響的原始應(yīng)力區(qū)；在工作面附近為受采動(dòng)影響的應(yīng)力增高區(qū)；遠(yuǎn)離工作面的后方，采動(dòng)影響趨向穩(wěn)定。因此，在10-201工作面回采期間，10-2011巷及10-2011巷與10-2032巷之間的保護(hù)煤柱上方往往賦存著較大的支承壓力，載荷的急劇增長(zhǎng)使10-2032巷容易出現(xiàn)變形、巷道片幫、底鼓以及頂板出現(xiàn)裂隙等壓力顯現(xiàn)現(xiàn)象。

2.2 卸壓技術(shù)

受10-201工作面采動(dòng)影響，10-2011巷及其保護(hù)煤柱賦存的支承壓力是10-201工作面及鄰近巷道產(chǎn)生動(dòng)壓的主要原因。水力壓裂技術(shù)通過在鉆孔壓裂段預(yù)制裂縫，控制水力壓裂裂紋擴(kuò)展方向使10-201工作面頂板巖層定向壓裂，破壞頂板巖層的完整性，削弱頂板的強(qiáng)度和整體性：1) 可以使采空區(qū)頂板能夠分層分次、及時(shí)垮落，且能夠縮短初次來壓和周期來壓步距。2) 可以將10-2011巷附近的高應(yīng)力削弱或轉(zhuǎn)移，降低應(yīng)力的集中程度，使10-2032巷處于低壓區(qū)。

2.3 水力壓裂優(yōu)點(diǎn)

1) 水力壓裂控制10-201工作面堅(jiān)硬難垮頂板是在井下進(jìn)行切頂卸壓，該技術(shù)能夠適應(yīng)井下作業(yè)空間狹小的條件。

2) 10-201工作面推進(jìn)速度較快，而水力壓裂切頂卸壓技術(shù)能夠快速實(shí)施，確保頂板及時(shí)垮落。

3) 水力壓裂切頂卸壓技術(shù)不會(huì)對(duì)10-201工作面的回采工藝產(chǎn)生干擾。

4) 與其他控頂技術(shù)相比，水力壓裂切頂卸壓技術(shù)安全性好，且施工鉆孔數(shù)量少，作業(yè)速度相對(duì)較快。

水力壓裂技術(shù)具有能夠定向切割頂板巖層，削弱巖層的整體性和穩(wěn)定性，削弱煤巖體承載的高應(yīng)力，使巷道或工作面處于低應(yīng)力區(qū)域的特點(diǎn)。且該技術(shù)安全性高、工程量小、適應(yīng)性強(qiáng)。因此，三交河煤礦采用水力壓裂技術(shù)對(duì)10-2011巷頂板進(jìn)行卸壓。

3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 施工設(shè)計(jì)

為避免影響10-201工作面正常生產(chǎn)，試驗(yàn)位置應(yīng)超前工作面80～120 m. 壓裂鉆孔布置于10-2011巷行人側(cè)，采用ZDY650鉆機(jī)配合鉆頭d56 mm、鉆桿d42 mm、長(zhǎng)1.5 m的鉆桿進(jìn)行施工。鉆孔間距為7 m，鉆孔長(zhǎng)度為28～34 m，平均30 m，仰角為50°，鉆孔與煤柱夾角為0°.

采用后退式單孔多次壓裂，每隔2 m壓裂一次，壓裂到距孔口12 m處停止壓裂。壓裂時(shí)間30 min，根據(jù)水壓變化和巖層出水情況調(diào)整，鉆孔施工和鉆孔壓裂平行作業(yè)，間距不小于40 m.

3.2 壓裂工藝

1) 高壓注水泵安裝、調(diào)試好后連接注水鋼管，然后將封孔器送至預(yù)定位置。

2) 手動(dòng)泵給封孔器加壓，壓力達(dá)到12～16 MPa后停止加壓，觀察鉆孔及壓力表，保證封孔器工作正常。

3) 作業(yè)設(shè)備附近區(qū)域必須保證支護(hù)完好，頂板安全可靠。作業(yè)前設(shè)置警戒，壓裂期間禁止其他人員通行。

4) 高壓水泵先通水再通電，慢慢加壓并記錄水泵、手動(dòng)泵壓力表數(shù)據(jù)，鄰近鉆孔出水后，即可停止。

5) 完成單孔多次壓裂作業(yè)。

3.3 移動(dòng)鉆機(jī)方式

鉆眼、壓裂結(jié)束后采用手動(dòng)葫蘆或2T膠輪車將鉆機(jī)移至下一個(gè)眼位進(jìn)行施工。

4 效果監(jiān)測(cè)

4.1 10-2011巷壓裂效果監(jiān)測(cè)

對(duì)10-2011巷進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，共試驗(yàn)144組，壓裂次數(shù)144次，在1#—144#孔壓裂過程中，相鄰鉆孔均出現(xiàn)出水情況，說明巖層裂隙貫通。

4.2 10-201工作面現(xiàn)場(chǎng)跟蹤

在10-201工作面回采期間，對(duì)工作面下隅角懸頂情況進(jìn)行跟蹤，通過壓裂前后下隅角垮落情況對(duì)比可知，經(jīng)過水力壓裂的下隅角懸頂面積明顯小于未經(jīng)過水力壓裂的下隅角懸頂面積，10-201工作面下隅角頂板及時(shí)垮落，說明通過水力壓裂使頂板出現(xiàn)裂隙，破壞了頂板巖層的完整性，該技術(shù)對(duì)下隅角垮落狀態(tài)起到了關(guān)鍵作用。

4.3 10-2032巷現(xiàn)場(chǎng)跟蹤

在10-2032巷道掘進(jìn)期間，對(duì)巷道的穩(wěn)定情況進(jìn)行不間斷跟蹤。10-2011巷第一個(gè)切頂眼位置在距離10-2032巷開口1 228 m處，10-2032巷在0～1 228 m安裝38組頂板離層儀及測(cè)力計(jì)用于監(jiān)測(cè)頂板壓力情況。其中，1#—38#頂板離層儀未發(fā)生離層，1#—38#測(cè)力計(jì)較初安值增大0～50 kN，相對(duì)較為穩(wěn)定，巷道頂板采用錨網(wǎng)索支護(hù)能夠有效控制頂板。

在10-2032巷1 228～1 500 m頂板出現(xiàn)裂隙、錨索破斷等不同程度的壓力顯現(xiàn)現(xiàn)象。在壓力增大區(qū)安設(shè)的39#頂板離層儀初安時(shí)，深、淺基點(diǎn)讀數(shù)均為0，隨著時(shí)間變化，深基點(diǎn)讀數(shù)變?yōu)?4 mm，淺基點(diǎn)讀數(shù)變?yōu)?9 mm. 39#測(cè)力計(jì)初次安裝時(shí)，2天內(nèi)讀數(shù)由150 kN變?yōu)?80 kN,達(dá)到最大量程。為進(jìn)一步判斷頂板壓力顯現(xiàn)情況，后期補(bǔ)安測(cè)力計(jì)，初安值為120 kN,隨著時(shí)間變化，讀數(shù)增大為250 kN. 39#頂板離層儀數(shù)值變化曲線見圖2，39#測(cè)力計(jì)數(shù)值變化曲線見圖3.

圖2 頂板離層儀數(shù)值變化曲線圖

圖3 測(cè)力計(jì)數(shù)值變化曲線圖

現(xiàn)場(chǎng)采用架棚、補(bǔ)打錨索、支設(shè)單體柱等方式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，但該范圍局部棚梁斷裂、頂板破碎，后期采用注漿加固的方式增加頂板整體強(qiáng)度和承載能力。

通過對(duì)比分析，10-201工作面回采以后，采空區(qū)上方巖層重量將向鄰近工作面10-2032巷轉(zhuǎn)移，受采空區(qū)動(dòng)壓影響，導(dǎo)致1 228～1 500 m段頂板壓力變大，頂板破碎后出現(xiàn)離層現(xiàn)象。相反，在0～1 228 m段，由于10-2011巷上方頂板進(jìn)行切頂卸壓，減輕10-201回采面?zhèn)认蛑С袎毫ο蛄硪粋?cè)的傳遞，為10-2032巷掘進(jìn)創(chuàng)造良好的應(yīng)力環(huán)境。

根據(jù)10-2032巷掘進(jìn)期間的頂板受力對(duì)比，10-2011巷切頂卸壓技術(shù)能夠減輕回采期間向10-2032巷的壓力傳遞，降低了10-2032巷的支護(hù)難度。

5 結(jié) 論

1) 水力壓裂切頂卸壓技術(shù)能夠破壞10-201工作面頂板的完整性，使頂板巖層裂隙貫通。

2) 根據(jù)10-201工作面切頂前后下隅角懸頂面積對(duì)比可知，水力壓裂后頂板及時(shí)垮落?？梢?，水力壓裂技術(shù)對(duì)下隅角垮落狀態(tài)起到了關(guān)鍵作用，能夠解決回采工作面上、下隅角的懸頂面積過大的問題。

3) 根據(jù)10-2032巷掘進(jìn)期間的頂板受力對(duì)比可知，10-2011巷切頂卸壓技術(shù)能夠減輕10-201工作面回采期間向10-2032巷的壓力傳遞，降低了10-2032巷的支護(hù)難度。

4) 水力壓裂技術(shù)能夠減弱回采工作面采空區(qū)壓力向側(cè)向傳遞，為礦井開展小煤柱開采及沿空掘巷積累了經(jīng)驗(yàn)。