王 濤

（山西汾河焦煤股份有限公司三交河煤礦，山西 洪洞 041600）

三交河煤礦主采11#煤層，11-201 工作面回采期間，巷道受超前支承壓力作用，變形量較大，同時出現(xiàn)了一定程度的煤壁片幫及冒頂現(xiàn)象。為此，采用水力壓裂切頂卸壓技術(shù)對工作面兩巷頂板進行切頂卸壓，達到維護巷道穩(wěn)定性，同時減小鄰近11-203 及11-215 工作面巷道支護難度的目的。

1 工程概況

三交河礦11-201 工作面位于+850 m 水平，主采11#煤層。11#煤層厚度為1.3～2.3 m，平均厚度為2.1 m，傾角0～10°，平均5°，煤層厚度較為穩(wěn)定，含2～3 層泥巖夾矸。煤層直接頂為泥巖，平均厚度4.0 m，基本頂為K2 灰?guī)r，平均厚度12.7 m。煤層頂?shù)装迩闆r如圖1。

11-201 工作面北側(cè)及南側(cè)分別為未掘進的11-203 及11-215 工作面。11- 201 工作面傾斜長228 m，推進方向長1589 m。為緩解工作面開采期間超前支承壓力對巷道穩(wěn)定性的影響，降低支護難度，同時減弱11-203 及11-215 工作面開采期間巷道受11-201 采空區(qū)的影響，決定采用水力壓裂切頂卸壓技術(shù)對11-201 工作面兩巷上方頂板進行切頂卸壓。

2 水力壓裂切頂卸壓技術(shù)原理

水力壓裂切頂卸壓通過在煤層頂板施工壓裂鉆孔，利用水壓將頂板沿預(yù)制裂縫方向進行壓裂，從而削弱頂板的強度和整體性，使頂板能夠分層分次垮落，減小或消除懸露頂板對巷道施加的作用力，達到維護巷道穩(wěn)定的目的。其本質(zhì)是通過預(yù)先施工壓裂鉆孔實現(xiàn)控制壓裂過程中裂隙擴展方向。

因此，水力壓裂切頂卸壓技術(shù)的原理是在煤巖體中施工鉆孔并形成切槽，并在高水壓作用下消除或減弱巷道頂板形成的懸臂結(jié)構(gòu)，使基本頂懸臂結(jié)構(gòu)可以及時垮落并充填采空區(qū)，進而減少巷道圍巖的受力載荷，使巷道受力狀態(tài)得以改變，從而實現(xiàn)對巷道變形的控制。切頂與未切頂巷道頂板結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖1 11-201 工作面綜合柱狀圖

圖2 切頂與未切頂巷道頂板結(jié)構(gòu)

由圖2 可知，未切頂卸壓巷道煤柱受頂板自身重量FG和相互鉸接的巖梁結(jié)構(gòu)形成的壓力F推的雙重作用。因此，巷道煤柱側(cè)的巷幫在頂板壓力、采空區(qū)矸石的壓力作用下將發(fā)生大變形，導(dǎo)致巷道支護較為困難。切頂卸壓后，巷道上方基本頂將不再形成結(jié)構(gòu)，使得巷道圍巖僅受FG影響，且FG相較于卸壓前大大減小。因此，未進行切頂卸壓的巷道圍巖應(yīng)力要大于切頂后的巷道圍巖應(yīng)力。

3 壓裂工藝與過程

為了減小對工作面生產(chǎn)的影響，壓裂施工位置超前工作面80～120 m。壓裂鉆孔分別布置于11-201運輸及回風(fēng)巷道煤柱側(cè)幫，鉆孔長27.4 m，以保證鉆孔底部高于基本頂巖層標高。鉆孔間距為7 m，鉆孔與煤柱夾角為10°，仰角為50°，鉆孔直徑為56 mm，鉆桿直徑為42 mm。具體參數(shù)如圖3。

圖3 水力壓裂切頂卸壓鉆孔布置

頂板水力壓裂切頂卸壓工藝主要包括封孔、高壓水壓裂、保壓注水3 個流程。根據(jù)11-201 工作面實際和相關(guān)工程施工經(jīng)驗，設(shè)置注水壓力為65 MPa，流量為85 L/min。具體施工工藝如下：

（1）安裝并連接封孔器，并通過排氣試驗檢查裝置是否存在漏液等問題[1-2]。采用專用密封圈將手壓泵、高壓膠管、儲能器及封孔器連接，同時在注水鋼管和高壓膠管連接處加裝水壓儀，用于監(jiān)測注水過程中水壓變化。

（2）壓裂設(shè)備連接調(diào)制完畢后，將封孔器安放到鉆孔內(nèi)進行封孔，并從鉆孔最深處切槽處開始進行壓裂，然后逐次向外進行[2-3]。將封孔器安放至指定位置后，通過手壓泵對封孔器進行加壓使其發(fā)生膨脹，直至壓力表壓力值達到16 MPa 時停止加壓。若壓力表讀數(shù)不再發(fā)生變化，表明鉆孔封孔成功，否則需檢查封孔器是否漏氣等問題[4]。

（3）打開水壓儀，檢查水壓儀是否正常運行。然后，采用高壓水泵開始進行加壓注水，加壓過程需緩慢進行，同時觀察并記錄流量計及壓力表的讀數(shù)。當壓力讀數(shù)突然減小時，表明鉆孔內(nèi)開始產(chǎn)生裂隙。此時，應(yīng)增加注水量確保壓力值滿足預(yù)設(shè)值，使裂隙可以繼續(xù)擴展，直至巷道內(nèi)出現(xiàn)滲水，則停止注水。

（4）按順序分別對頂板壓裂鉆孔進行注水壓裂，施工完成后將高壓水泵等設(shè)備進行斷電、停水，并逐漸減小封孔器壓力直至可以將其從鉆孔中取出。

4 施工效果分析

4.1 水力壓裂效果分析

采用鉆孔電視成像儀對鉆孔內(nèi)壓裂裂隙進行檢驗，鉆孔內(nèi)切槽形狀呈矩形，對鉆孔進行水力壓裂時，切槽處巖體受拉應(yīng)力作用而從切槽處開裂，并沿切槽方向逐步擴展，表明水力壓裂效果較好。

4.2 切頂卸壓效果分析

為了檢驗切頂卸壓效果，分別在壓裂段和非壓裂段巷道兩幫及頂?shù)装宀荚O(shè)位移測點，對巷道表面位移情況進行監(jiān)測。分析監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，非壓裂段巷道兩幫位移量最大可達253 mm，頂?shù)装逡平孔畲鬄?16 mm，而壓裂段兩幫位移量最大值為142 mm，頂?shù)装逡平孔畲鬄?85 mm。相較于巷道非壓裂段，壓裂段巷道兩幫圍巖位移量降低約45.5%，頂?shù)装逡平拷档图s42.3%，說明水力壓裂切頂卸壓技術(shù)可明顯地減小沿空巷道圍巖變形量。采用水力壓裂技術(shù)能夠切斷工作面兩巷與上覆關(guān)鍵巖層之間的應(yīng)力聯(lián)系，達到卸壓護巷的目的。

5 結(jié)論

水力壓裂切頂卸壓效果較顯著，通過在巷道頂板施工壓裂鉆孔對頂板巖層進行壓裂，使得基本頂巖層可以產(chǎn)生定向裂隙，減小工作面回采過程中超前支承壓力對巷道穩(wěn)定性的影響。卸壓后，巷道兩幫圍巖位移量降低約45.5%，頂?shù)装逡平拷档图s42.3%，說明采用水力壓裂技術(shù)可以切斷工作面兩巷與上覆關(guān)鍵巖層之間的應(yīng)力聯(lián)系，達到卸壓護巷的目的。