米 東

(潞安集團 潞寧煤業(yè)公司，山西 忻州 036000)

1 工程概況

潞寧煤業(yè)現(xiàn)階段主采侏羅系大同組上部的2號煤，2號煤層結構簡單，厚度為1.0～5.0 m，平均厚度3.5 m，平均傾角4.5°，容重為1.48 t/m3，中部夾不連續(xù)的薄層炭質泥巖夾矸，煤質編號為氣煤。22116工作面平均走向長度為1 877.233 m，傾向長178.6m，預計可采儲量約173.672萬t。22116工作面地面標高+1 466～+1 610 m，井下標高+1 037～+1 057 m，位于二二采區(qū)，北部為22114工作面采空區(qū)，留設煤柱25 m，南部為22118回采工作面，留設煤柱25 m，西部為2號煤層南翼四條大巷。22116回風巷和22118運輸巷采用雙巷掘進，區(qū)段煤柱寬度為25 m，工作面巷道布置如圖1所示。2號煤層直接頂為厚度10 m左右的細粒砂巖和粉砂巖，老頂為中粒砂巖和細粒砂巖，均屬于堅硬巖層，頂?shù)装鍘r層特征見表1。22116工作面回采初期，22118運輸巷圍巖出現(xiàn)明顯的失穩(wěn)變形現(xiàn)象，需采取適當?shù)拇胧┻M行治理。

圖1 工作面巷道布置示意

表1 頂?shù)装鍘r性特征

2 22118運輸巷失穩(wěn)機理及切頂卸壓原理

正常地質條件下，采用長壁式開采方法，采動影響范圍大[1]，工作面推進后，多層復合薄巖層組成的頂板及時垮落，垮落的矸石充填采空區(qū)，采空區(qū)分擔上覆巖層的壓力，降低采空區(qū)兩側的煤柱承受的壓力，為臨近工作面服務的留巷受采動影響不嚴重。潞寧煤業(yè)2號煤層直接頂和老頂均為堅硬的砂巖，工作面推進后，采空區(qū)上覆巖層不能夠及時垮落，甚至在區(qū)段煤柱上方形成穩(wěn)定的懸臂結構，導致煤柱承受的載荷大大增加，最終導致臨近工作面的巷道斷面收縮嚴重，甚至影響其正常使用。

根據(jù)以往在類似地質條件下的生產(chǎn)經(jīng)驗，經(jīng)常遇到堅硬頂板在工作面回采后懸而不垮的現(xiàn)象，可采取定向水力壓裂技術切割堅硬頂板，以此將上覆巖層的載荷向采空區(qū)轉移，降低區(qū)段煤柱內的應力集中程度，從而確保留巷圍巖的穩(wěn)定性，切頂卸壓的理想模型如圖2所示。一個正在回采的工作面，一側為采空區(qū)，另一側為未回采的工作面，兩個工作面間留設一定寬度的區(qū)段煤柱，煤柱上方的堅硬巖層形成懸臂式結構，如圖2(a)所示。采用水力壓裂技術進行頂板壓裂后，煤柱上方的堅硬巖體垮落，煤柱得到卸壓，此時留巷圍巖的穩(wěn)定性將得到很大的提高，如圖2(b)所示。

圖2 切頂卸壓模型

3 水力壓裂切頂卸壓方案

根據(jù)22116工作面回采的實際情況，在22116軌道巷未回采的巷段進行水力壓裂卸壓試驗，試驗段長度約300 m，在22116軌道巷頂板布置水力壓裂鉆孔，鉆孔間距為10 m，鉆孔與工作面推進方向的夾角為75°，與水平方向的夾角為50°，鉆孔直徑為75 mm，長度為30 m，從鉆孔底部由里向外依次進行開槽，槽間距為3 m，1號切槽距離孔底約2 m，水力壓裂鉆孔布置如圖3所示。

圖3 22116軌道巷水力壓裂鉆孔布置

鉆孔施工完成后首先進行封孔器和水壓儀的安裝，封孔器安裝完成后采用靜壓水對其進行排氣和試壓，封孔器壓力為10 MPa，之后連接注水鋼管將封孔器推送至預裂縫處進行壓裂，高壓注水泵的水壓為60 MPa，泵流量為80 L/min，注水壓裂的順序為倒退式壓裂法[2]，由孔底到孔口逐次進行，壓裂施工時前后20 m的巷道范圍內拉警示線，禁止無關人員靠近。

4 現(xiàn)場應用效果分析

為考察水力壓裂切頂卸壓技術的效果，在22118運輸巷內設置多個圍巖位移監(jiān)測站，對切頂卸壓前后圍巖的位移情況進行對比，巷道圍巖的位移主要集中在22116工作面推過測點對應位置，由此整理得到不同測點處圍巖位移與采煤工作面距離的關系，監(jiān)測結果如圖4所示。

圖4 22118運輸巷圍巖位移觀測結果

未采取切頂卸壓措施前，兩幫移近量最大約為241 mm，切頂后兩幫移近量最大為119 mm，減小了50.6%，減小明顯；未采取切頂卸壓措施前，頂?shù)装逡平孔畲蠹s為388 mm，切頂后頂?shù)装逡平孔畲鬄?87 mm，減小了51.8%，減小明顯。綜上可知，在22116軌道巷采取水力壓裂切頂卸壓措施后，22118運輸巷在22116工作面采動影響下圍巖的位移量顯著減小，能夠滿足為22118工作面服務的要求。

5 結 語

潞寧煤業(yè)22116工作面回采期間，臨近工作面的22118運輸巷圍巖出現(xiàn)位移過大的現(xiàn)象，設計采用水力壓裂切頂卸壓技術進行治理，通過現(xiàn)場試驗和圍巖位移監(jiān)測表明，切頂后22118運輸巷兩幫移近量減小50.6%，頂?shù)装逡平繙p小51.8%，圍巖的位移顯著減小，取得了良好的應用效果。