龐立寧，劉毅濤，邸晟鈞，蘇士杰，丁國利，姜 峰

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；2.烏審旗蒙大礦業(yè)有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017307；3.山西焦煤集團有限責任公司，山西 太原 030053；4.中天合創(chuàng)能源有限責任公司葫蘆素煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017000；5.中煤西北能源有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017200)

中天合創(chuàng)能源有限責任公司葫蘆素煤礦21103工作面開采2-1煤，煤層平均厚度2.54m，工作面采深634～643m，自重應力大。經鑒定，煤層及頂板均具有沖擊傾向性，尤其煤層頂板多為厚硬的砂巖，在煤層采空后極易懸頂，導致采空區(qū)周邊巷道發(fā)生應力疊加。受鄰近21102工作面采空區(qū)影響，21103工作面回風巷礦壓顯現劇烈，導致回風巷在21102工作面后方開始出現大變形，主要表現為強烈底鼓、頂板下沉，局部破壞具有沖擊地壓特征。加之21103工作面開采時，二次采動導致回風巷礦壓顯現更為劇烈，臨空側超前段巷道變形嚴重，影響巷道正常使用，同時沖擊地壓風險日益突出。21103工作面回采時，工作面后方的煤柱即將成為孤島煤柱，加之21102工作面采空區(qū)側向支承壓力的影響，在現有煤柱寬度下，會積聚較大的彈性能，存在沖擊地壓危險。針對以上情況，進行“鉆-切-壓”一體化卸壓技術研究，減少了21103工作面回風巷區(qū)段煤柱內彈性能積聚，同時為了減少煤柱卸壓對巷道支護產生的負面影響，進行了定向水力壓裂切頂來減少頂板巖層向煤柱上的應力傳遞。

1 工作面概況

21103工作面為綜合機械化一次采全高工作面，開采2-1煤，煤厚約為2.30～2.93m，該煤層結構簡單，呈大型的寬緩波狀起伏，地層傾角一般在1°～3°，為近水平煤層，煤層普氏硬度系數f=2.5。煤層結構整體簡單，局部含一層至兩層夾矸，夾矸巖性一般以砂質泥巖為主，存在有中、細粒砂巖的情況，工作面頂底板巖性見表1。21103工作面共沿煤層頂板布置3條巷道：主運巷，輔運巷，回風巷(斷面尺寸5.4m×3.35m)，支護方式均采用“錨桿+錨索+鋼筋梯子梁+金屬網”。21103工作面一側為21102工作面采空區(qū)，一側為21104工作面，21103工作面與21102工作面和21104工作面之間存在30m寬的區(qū)段煤柱，如圖1所示。

表1 21103工作面頂底板巖性表

圖1 21103工作面位置示意圖

2 區(qū)段煤柱弱化卸壓機理

根據礦山壓力理論“壓力拱假說”，在采場上方，由于巖層自然平衡的結果，會形成一個“壓力拱”，壓力拱拱腳位置為應力增高區(qū)，壓力拱下方區(qū)域為減壓區(qū)。在對煤柱弱化前，21103工作面與21102工作面之間的區(qū)段煤柱內會承受較大的側向支承壓力，積聚較大的彈性能，該位置處于壓力拱拱腳位置，對煤柱進行弱化后，煤柱內塑性變形區(qū)范圍增加，應力會向圍巖深部轉移，壓力拱拱腳外移，此時可以減少區(qū)段煤柱內的彈性能積聚[3，4]。

在區(qū)段煤柱內進行水射流切縫擴孔在一定程度上可以破壞煤體完整性，射流切縫擴孔產生的空間為煤柱內積聚的彈性能提供了釋放空間[1，2，5]。

區(qū)段煤柱內煤體完整性遭到破壞之后壓力拱腳外移后，21103工作面回風巷回采側煤幫內部，會出現應力集中現象，為防止臨近21103工作面回風巷的21103工作面煤體彈性能積聚，減少21103工作面回風巷沖擊地壓危害程度，也需對21103工作面回風巷回采幫煤體進行弱化，使得高應力向工作面深部轉移，從而使得高應力區(qū)遠離21103工作面回風巷。根據此思路，制定以下弱化方案。

3 區(qū)段煤柱弱化方案與實施效果

3.1 區(qū)段煤柱弱化方案設計

3.1.1 工藝參數確定

基于不同煤礦地質條件下水力壓裂致裂區(qū)域大小是不同的這一現實情況，為了保證21103工作面回風巷的水力壓裂效果，在21103工作面回風巷未受采動影響區(qū)域進行了現場試驗，并以此確定“鉆-切-壓”一體化卸壓技術工藝參數，通過現場監(jiān)測發(fā)現，葫蘆素煤礦21103工作面回風巷附近區(qū)域水力壓裂擴散半徑達12～15m，因此確定煤層壓裂孔間距為24m。煤層壓裂孔和煤層切縫孔深度的確定是基于兩方面原因：①21103工作面回風巷煤柱幫安裝的應力計顯示5～12m為應力集中區(qū)，應力峰值位于8m處；②現場試驗打鉆過程中也發(fā)現，鉆孔打至5m時，鉆屑量明顯增加，一直到12m時，鉆屑量才降下來，這說明15m深鉆孔足以穿透應力峰值區(qū)。

3.1.2 弱化方案

如圖2所示，在巷道兩幫布置鉆孔進行水力壓裂，形成大范圍煤層破裂區(qū)，鉆孔直徑75mm，孔深15m，孔間距24m，垂直于巷幫布置，每孔壓裂2次，采用封隔器壓裂。水力壓裂對煤體進行了初步弱化，而后在壓裂孔之間進行鉆孔射流切縫擴孔(在初步弱化煤體內進行射流切縫擴孔的效果優(yōu)于堅硬完整煤體)，具體步驟為：射流鉆孔布置完畢后，在不退鉆桿的情況下，實現定點高壓水射流切縫，鉆孔直徑127mm，孔深15m，孔間距6m，割縫條數3條/孔，縫間距4m，淺部切縫距離巷道表面7m。

圖2 煤幫“鉆-切-壓”一體化卸壓方案

3.2 區(qū)段煤柱“鉆-切-壓”效果檢驗

3.2.1 水壓監(jiān)測

為了分析裂隙擴展情況，采用專用高壓記錄儀對水力壓裂過程中壓裂壓力的變化情況進行了實時監(jiān)測。水壓數據監(jiān)測結果表明，水力壓裂過程中泵壓最高時可達45MPa，這說明部分地點煤體致密、強度較高、完整性好。水壓曲線總體呈現三種形態(tài)：

21103回風巷某一壓裂孔壓裂曲線如圖3(a)所示，壓裂初期存在一次壓力降，加壓約4min后壓力驟降7MPa，同時15m外鉆孔開始出水，之后繼續(xù)加壓，壓力上升不明顯，附近鉆孔持續(xù)出水。

圖3 水力壓裂過程水壓監(jiān)測曲線

壓裂孔2壓裂曲線如圖3(b)所示，第一次增壓至30MPa，維持約1min后壓力驟降12MPa，表明裂縫第一次擴展；第二次增壓至41MPa，之后驟降15MPa，表明裂紋第二次擴展；第三次增壓至39MPa，之后驟降至23MPa，表明裂縫第四次擴展，約2min后，裂縫再次大幅擴展，壓力驟降至0；之后再次增壓無效。

壓裂孔3壓裂曲線如圖3(c)所示，壓力增加至30MPa左右后，保持了30min的穩(wěn)定狀態(tài)，壓裂曲線基本平直。這表明裂縫穩(wěn)步擴展，并形成了穩(wěn)定水流擴展通道。

在水力壓裂過程中，能觀測到致裂孔兩側鉆孔持續(xù)流水，說明鉆孔之間煤體已經被水力壓裂產生的裂隙所弱化。

3.2.2 鉆孔窺視

為了掌握鉆孔內射流效果，采用鉆孔窺視儀對煤體“鉆-切-壓”鉆孔進行了窺視，如圖4所示。通過鉆孔窺視結果可以看出，高壓水射流可以在煤體內產生寬度4～6mm的人工切縫，人工射流切縫的環(huán)向寬度也比較均勻。與之形成鮮明對比的是，自然裂縫的寬度較小，且寬度不均勻。

圖4 水射流切縫效果

煤層鉆孔后，利用高壓水射流技術孔內切縫擴孔，大幅提高單孔卸壓范圍和強度，在減少對巷道支護段的破壞的同時，實現深部高應力區(qū)強力卸壓，“鉆孔-壓裂-切縫組合工藝”可最大限度的弱化煤體強度，卸壓效率是常規(guī)鉆孔的數倍以上，尤其適用于堅硬沖擊地壓煤層。

21103工作面回風巷區(qū)段煤柱弱化后，勢必會對21103工作面回風巷臨空煤柱側支護產生負面影響，為了改善巷道支護環(huán)境，可進行定向水力壓裂切頂來減少頂板巖層向煤柱上的應力傳遞。

4 臨空煤柱切頂卸壓機理

由于受到采空區(qū)側向懸頂(懸臂梁結構)自重及彎曲下沉產生的高附加應力的影響，臨采空區(qū)煤柱始終處于高應力狀態(tài)。影響臨采空區(qū)煤柱內支承壓力水平的主要因素有：采空區(qū)側向懸頂塊體B的長度厚度(直接影響懸臂塊體在采空區(qū)懸露部分的自重)、懸臂塊體B受到的與其形成鉸接結構的巖塊C給其的鉸接反力[7-9，14]。臨采空區(qū)巷道頂板大深度定向水力壓裂切頂卸壓技術手段，通過設計合理的定向水力壓裂參數，可以切斷臨空煤柱側向懸頂，從而阻斷向臨采空區(qū)煤柱傳遞高應力的力源，緩和了臨采空區(qū)煤柱的應力環(huán)境，降低了臨空煤柱上的支承壓力[1，6]，切頂卸壓原理如圖6所示；同時定向水力壓裂切落下的冒落矸石會充填部分采空區(qū)，減少了上覆高位巖層的回轉空間，支撐了上覆呈“長懸臂梁”結構的高位巖層，某種程度上降低了復合“懸臂梁-鉸接巖梁”結構內C巖塊對B巖塊的鉸接反力，定向水力壓裂切頂卸壓前后臨采空區(qū)煤柱上方和側向頂板覆巖結構特征如圖5和6所示。其中K代表矸石壓縮剛度，S1代表“懸臂長梁”結構巖塊B的下伏矸石壓縮量，S2代表與懸臂巖塊B呈鉸接結構的巖塊C的下伏矸石壓縮量。

圖5 水力壓裂切頂卸壓前后煤柱內應力變化圖

圖6 切頂卸壓原理圖

國內外研究及應用表明，采用定向水力壓裂技術可在巷道高應力巖層中形成一個弱化帶，從而削弱巷道周圍的高應力或將高應力轉移到遠離巷道的煤巖體，緩解側向和殘余支承壓力對采區(qū)巷道穩(wěn)定性的影響，達到巷道卸壓、緩解片幫和底鼓的目的。

5 臨空煤柱切頂卸壓方案與實施效果

5.1 臨空煤柱切頂卸壓方案設計

為了確定頂板中水力壓裂擴散半徑，在距超前工作面約600m以外21103主運巷頂板較完整區(qū)域布置了不同深度試驗壓裂孔和檢測孔進行了壓裂效果檢驗，淺孔(孔深15m)壓裂效果檢驗表明，單次壓裂半徑約9～15m，多次壓裂半徑約15m，深孔壓裂效果檢驗表明，頂板往上30～50m范圍壓裂時，裂隙擴展半徑大于7.5m，因此確定水力壓裂切頂孔孔間距15m。

針對21102采空區(qū)堅硬懸頂，采用高壓水泵配合專用高壓切縫鉆桿、高壓封隔器，進行超前定向水力壓裂切頂。定向水力壓裂切頂孔單排布置，傾角分為兩種：一種傾角45°，孔深57m，在57m和43m位置射流切縫；一種傾角30°，孔深46m，在46m和34m位置射流切縫。兩種切頂孔孔徑均60mm，孔間距15m，定向水力壓裂切頂孔布置如圖7所示。

圖7 21103工作面回風巷定向水力壓裂切頂孔布置圖

圖8 切頂前后煤層應力變化過程監(jiān)測

5.2 臨空煤柱切頂卸壓實施效果

在切頂卸壓前，在采空區(qū)側向懸頂的影響下，21103回風巷11#應力計應力值持續(xù)升高，如圖8所示，在進行了定向水力壓裂切頂之后，該區(qū)域煤層應力值降幅達到6～10MPa，表明切頂卸壓效果顯著。

6 效果監(jiān)測

1)對區(qū)段煤柱和回采側煤體弱化前后應力的變化情況進行了對比分析，發(fā)現弱化后弱化區(qū)域內應力有了明顯降低，應力峰值降幅可達6～10MPa。

2)同時對21103工作面回風巷內頂底板和兩幫變形量進行了觀測對比，發(fā)現臨空煤柱切頂區(qū)域的巷道頂底板圍巖變形量明顯減小，兩幫移近量平均減小210mm，頂底板移近量平均減小290mm。這說明，區(qū)段煤柱弱化和臨空煤柱切頂卸壓技術方案取得了良好的效果。