康紅普，姜鵬飛，馮彥軍，趙凱凱

(1.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

井工煤礦開(kāi)采需要在井下開(kāi)掘各種類型的巷道，包括大巷、采區(qū)集中巷、上下山及回采巷道等。對(duì)于不受采煤工作面采動(dòng)影響的巷道，開(kāi)挖只是破壞了原巖應(yīng)力狀態(tài)，巷道圍巖應(yīng)力重新分布，圍巖向巷道空間移動(dòng)。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到圍巖強(qiáng)度時(shí)，圍巖出現(xiàn)破壞；當(dāng)圍巖結(jié)構(gòu)不能保持穩(wěn)定時(shí)，巷道就會(huì)出現(xiàn)冒頂、片幫等現(xiàn)象?？梢?jiàn)，圍巖變形與破壞是圍巖強(qiáng)度、剛度與圍巖應(yīng)力作用的結(jié)果，提高圍巖強(qiáng)度、剛度或降低圍巖應(yīng)力均可控制圍巖變形與破壞。井工煤礦80%以上的巷道受采煤工作面采動(dòng)影響，采動(dòng)應(yīng)力數(shù)倍于原巖應(yīng)力。采動(dòng)巷道不僅受原巖應(yīng)力的影響，其穩(wěn)定性更主要取決于采動(dòng)應(yīng)力大小和作用時(shí)間，采動(dòng)巷道圍巖變形、破壞與其同采煤工作面開(kāi)采的時(shí)空關(guān)系密切相關(guān)。

根據(jù)煤礦巷道圍巖變形與破壞的原因，國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)出多種形式的巷道圍巖控制方法[1-3]，按圍巖控制原理可分為2大類：① 給巷道表面提供約束，以及提高圍巖強(qiáng)度、剛度、完整性和穩(wěn)定性的支護(hù)加固法，包括各種棚式支架、支柱、砌碹支護(hù)等作用在圍巖表面的支護(hù)形式，錨桿、錨索、注漿等能深入到圍巖深部的錨固、加固形式[4-5]；② 降低圍巖應(yīng)力、轉(zhuǎn)移圍巖高應(yīng)力、均勻化圍巖應(yīng)力避免出現(xiàn)過(guò)高集中應(yīng)力、降低圍巖偏應(yīng)力和應(yīng)力梯度等的應(yīng)力控制法[6-8]，包括基于最大水平主應(yīng)力方向的巷道掘進(jìn)方向優(yōu)化、巷道斷面優(yōu)化，將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)，在巷道淺部圍巖實(shí)施切縫、鉆孔、爆破、壓裂及鄰近掘巷等，將圍巖高應(yīng)力向深部圍巖轉(zhuǎn)移;也包括采用爆破、水力壓裂等方法減小采煤工作面對(duì)巷道的采動(dòng)影響。上述多種應(yīng)力控制法也稱卸壓法。

隨著煤礦開(kāi)采深度與強(qiáng)度不斷增加，應(yīng)力的作用越來(lái)越重要。深部巷道原巖應(yīng)力高，特別是千米深井巷道，原巖應(yīng)力達(dá)到40 MPa以上[9]，甚至超過(guò)煤巖體強(qiáng)度，巷道掘出后就產(chǎn)生大變形，受到采動(dòng)影響后圍巖變形更加劇烈，有的還出現(xiàn)沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害，僅采用支護(hù)加固法很難有效控制圍巖變形與破壞。隨著工作面煤炭產(chǎn)量的不斷提高，強(qiáng)采動(dòng)巷道占比越來(lái)越大。這些巷道在掘進(jìn)期間圍巖變形一般比較小，受到采動(dòng)影響后圍巖變形劇烈增加，有些巷道還經(jīng)歷二次、多次采動(dòng)影響，巷道維護(hù)更加困難。支護(hù)加固法在這種條件下經(jīng)常失效，無(wú)法保證巷道穩(wěn)定與安全?？傊瑢?duì)于深部高應(yīng)力巷道、強(qiáng)采動(dòng)巷道等應(yīng)力主導(dǎo)型的復(fù)雜困難巷道，僅采取加大支護(hù)強(qiáng)度、密度，進(jìn)行二次甚至多次支護(hù)有時(shí)是不可行的。需要將支護(hù)、加固及卸壓有機(jī)結(jié)合，協(xié)同控制圍巖變形[10]，其中卸壓法可起到支護(hù)加固法不可替代的重要作用。

筆者介紹了煤礦巷道圍巖卸壓技術(shù)的類型，分析各種卸壓方法的原理及適用條件，通過(guò)卸壓法應(yīng)用實(shí)例分析，介紹卸壓法設(shè)計(jì)參數(shù)，評(píng)價(jià)卸壓效果，并對(duì)卸壓法今后的發(fā)展提出建議。

1 煤礦巷道圍巖卸壓技術(shù)分類

巷道圍巖卸壓技術(shù)有多種，具體見(jiàn)表1，可分為巷道布置法、巷道圍巖近場(chǎng)卸壓法及遠(yuǎn)場(chǎng)卸壓法。

表1 煤礦巷道圍巖卸壓法分類Table 1 Classification of destressing methods for rock around coal mine roadways

1.1 巷道布置法

礦井開(kāi)拓部署、采煤工作面與巷道布置、采煤方法、采掘順序等均會(huì)對(duì)巷道圍巖應(yīng)力、變形與破壞產(chǎn)生影響。通過(guò)合理的采掘部署，將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)是最有效的巷道圍巖應(yīng)力控制方法。根據(jù)巷道與采煤工作面、采空區(qū)的相對(duì)位置關(guān)系，可分為巷道布置在采空區(qū)下方、采空區(qū)上方、采空區(qū)邊緣及采空區(qū)內(nèi)等形式。

對(duì)于長(zhǎng)壁全部垮落法開(kāi)采，煤層開(kāi)采后會(huì)在頂板形成垮落帶、斷裂帶及彎曲下沉帶，如圖1所示，在底板形成破碎區(qū)，并在采空區(qū)頂板和底板出現(xiàn)一定范圍的應(yīng)力降低區(qū)，而高應(yīng)力轉(zhuǎn)移到工作面邊緣的煤體、煤柱及深部圍巖中。在煤層群開(kāi)采中，鄰近煤層的開(kāi)采對(duì)上覆和下伏煤層開(kāi)采均有顯著影響。所謂卸壓開(kāi)采就是通過(guò)先開(kāi)采保護(hù)層(圖1中部煤層)，在保護(hù)層采空區(qū)頂板和底板巖層中出現(xiàn)大范圍卸壓區(qū)，有利于瓦斯抽采和主采煤層巷道維護(hù)及安全、高效開(kāi)采[11-15]。

1、2、3、4、5、6、7—巷道位置圖1 卸壓開(kāi)采煤層巖層移動(dòng)與破壞及應(yīng)力分布Fig.1 Strata movement,fracturing and stress distribution around destressing mining coal seam

在已采煤層采空區(qū)下方應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)布置巷道，對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定與維護(hù)非常有利。因此，在下部煤層開(kāi)采時(shí)，通常采用內(nèi)錯(cuò)布置方式，將回采巷道布置在距上部煤層采空區(qū)邊緣一定位置的采空區(qū)下，如圖1中的位置1。另外，在煤層群開(kāi)采中，將底板巖石巷道布置在已穩(wěn)定的上部煤層采空區(qū)下低應(yīng)力區(qū)(圖1中位置2)，先卸壓開(kāi)采后掘進(jìn)巷道，會(huì)顯著改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)，有利于巖石巷道長(zhǎng)期穩(wěn)定[16]。對(duì)于跨巷開(kāi)采的底板巷道，跨采前巷道要經(jīng)歷采煤工作面超前支承壓力影響。只有當(dāng)工作面跨過(guò)巷道后，巷道才能處于應(yīng)力降低區(qū)[17-18]。因此，跨采巷道一般需要在跨采前、跨采過(guò)程中進(jìn)行加固，跨采后需要修復(fù)[19]，之后可長(zhǎng)期處于低應(yīng)力狀態(tài)。

將巷道布置在采空區(qū)上方多見(jiàn)于上行開(kāi)采。上行開(kāi)采先開(kāi)采下部煤層，上部煤層回采巷道大多位于下層煤開(kāi)采形成的斷裂帶或彎曲下沉帶范圍內(nèi)，對(duì)上部煤層開(kāi)采造成一定影響，影響程度與下部煤層采高、層間距、上下煤層開(kāi)采間隔時(shí)間等多種因素有關(guān)[20-21]。為了避開(kāi)斷裂帶及應(yīng)力集中的影響，上部煤層回采巷道布置有內(nèi)錯(cuò)式和外錯(cuò)式2種方式。外錯(cuò)式布置巷道應(yīng)位于下部煤層采空區(qū)邊緣外一定距離(圖1位置3)，以避開(kāi)煤層拉伸變形區(qū)；內(nèi)錯(cuò)式布置巷道宜位于下部煤層采空區(qū)邊緣以內(nèi)5 m范圍內(nèi)(圖1位置4)，避免巷道進(jìn)入煤層拉伸變形嚴(yán)重區(qū)域，致使圍巖破碎、難以保持穩(wěn)定[22]。內(nèi)錯(cuò)式布置巷道的另一種位置是避開(kāi)采空區(qū)邊緣臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)下沉帶的影響，盡量不處于煤層下沉盆地的傾斜邊界，而位于下沉盆地水平段(圖1位置5)，巷道至采空區(qū)邊緣的水平錯(cuò)距應(yīng)不小于20 m[23]。另外，用于瓦斯抽采的高位巷、底板巖巷可布置在斷裂帶、彎曲下沉帶的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)(圖1位置6、7)。

將巷道布置在采空區(qū)邊緣主要有2種方式：沿空掘巷與沿空留巷。沿空掘巷周圍巖層結(jié)構(gòu)與應(yīng)力分布如圖2所示[24]。沿空掘巷應(yīng)沿已穩(wěn)定的采空區(qū)邊緣掘進(jìn)，并設(shè)計(jì)合理的小煤柱寬度，保證巷道位于應(yīng)力降低區(qū)(圖2中位置1為完全沿空掘巷，位置2為小煤柱沿空掘巷)。沿空留巷從掘進(jìn)到報(bào)廢圍巖變形可分為6個(gè)階段：掘進(jìn)影響→掘進(jìn)影響穩(wěn)定→第1個(gè)采煤工作面超前影響→第1個(gè)采煤工作面后方強(qiáng)烈影響→后方影響穩(wěn)定→第2個(gè)采煤工作面超前影響等階段。只有在第5個(gè)階段，即第1個(gè)采煤工作面后方采空區(qū)上覆巖層活動(dòng)穩(wěn)定后，沿空留巷才能處于比較低的應(yīng)力狀態(tài)，選擇合理的圍巖控制方式，可有效控制沿空留巷變形與破壞[25]。

k—應(yīng)力集中系數(shù)；γ—覆巖容重；H—埋深圖2 沿空掘巷圍巖結(jié)構(gòu)及應(yīng)力分布Fig.2 Rock structure and stress distribution of gob-side entry driving

將巷道布置在采空區(qū)內(nèi)有采空區(qū)維護(hù)巷道和采空區(qū)掘進(jìn)巷道等形式，如圖3所示。前者是在工作面后方采空區(qū)中，采用巷旁支護(hù)隔離出所需巷道或原位留下工作面穿過(guò)的巷道[26]；后者是在已壓實(shí)膠結(jié)的采空區(qū)重新掘進(jìn)巷道。將巷道布置在采空區(qū)可使巷道處于應(yīng)力降低區(qū)，但無(wú)論是采空區(qū)維護(hù)巷道還是掘進(jìn)巷道，由于圍巖破碎、與采空區(qū)連通，均需要特殊的施工工藝及支護(hù)加固措施，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要根據(jù)具體條件確定。

圖3 采空區(qū)布置巷道的方式Fig.3 Pattern of entry layout in gob area

1.2 巷道圍巖近場(chǎng)卸壓法

巷道開(kāi)挖以后，圍巖應(yīng)力會(huì)在一定范圍重新分布，產(chǎn)生破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)，出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)。根據(jù)彈性力學(xué)理論，對(duì)于雙向等壓下的圓形巷道，在距巷道中心5倍巷道半徑的位置，圍巖切向應(yīng)力比原巖應(yīng)力只高出5%，一般認(rèn)為是巷道的影響半徑。對(duì)于寬5 m、高3.5 m的矩形巷道，以外切圓半徑計(jì)算，巷道影響半徑為15.3 m?？紤]到巷道有一定范圍的破碎區(qū)、塑性區(qū)，影響范圍會(huì)更大，巷道影響半徑可達(dá)到20 m左右。筆者將此巷道影響范圍定義為巷道圍巖近場(chǎng)，超出該范圍則為巷道圍巖遠(yuǎn)場(chǎng)。

在巷道圍巖近場(chǎng)實(shí)施的卸壓技術(shù)有切縫、鉆孔、爆破及掘卸壓巷等方法，如圖4所示。這些方法的卸壓機(jī)理與影響因素[27-30]為：

圖4 巷道圍巖近場(chǎng)卸壓方式Fig.4 Destressing pattern around near rock surrounding roadways

1) 在巷道淺部圍巖形成一定的變形空間，局部改變圍巖位移矢量方向與大小，減小圍巖向巷道空間的位移。

2) 卸壓的實(shí)施形成了局部應(yīng)力場(chǎng)，改變了淺部圍巖的應(yīng)力分布，將淺部圍巖的高應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，使更大范圍的圍巖承載。

3) 卸壓效果具有明顯的空間效應(yīng)。切縫位置、形狀、方向、深度、寬度、有無(wú)充填，鉆孔位置、方向、直徑、深度、間排距，爆破位置、鉆孔布置與參數(shù)，卸壓巷位置、形狀與參數(shù)等，均對(duì)卸壓效果有明顯影響。

4) 卸壓效果具有明顯的時(shí)間效應(yīng)。巷道開(kāi)挖與卸壓技術(shù)實(shí)施的間隔時(shí)間顯著影響卸壓效果。對(duì)于掘巷期間就出現(xiàn)大變形的巷道，卸壓實(shí)施越早越好。另外，隨著時(shí)間加長(zhǎng)，切縫、鉆孔有可能閉合，爆破區(qū)會(huì)逐步壓實(shí)，卸壓效果會(huì)隨時(shí)間推移而降低。

5) 卸壓效果具有方向效應(yīng)。在巷道底板實(shí)施的卸壓技術(shù)有可能導(dǎo)致兩幫位移增大，同樣兩幫實(shí)施的卸壓技術(shù)也有可能導(dǎo)致頂?shù)装逦灰圃龃?，在卸壓方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮。

1.3 巷道圍巖遠(yuǎn)場(chǎng)卸壓法

如前所述，巷道圍巖遠(yuǎn)場(chǎng)是指巷道影響半徑之外的范圍。巷道圍巖遠(yuǎn)場(chǎng)卸壓法主要用于減小采煤工作面采動(dòng)應(yīng)力對(duì)巷道圍巖變形與破壞的影響。我國(guó)煤礦巷道80%以上是回采巷道，不同程度地受到采煤工作面的采動(dòng)影響。即使是大巷、準(zhǔn)備巷道，有的也會(huì)受采動(dòng)應(yīng)力作用，導(dǎo)致巷道圍巖大變形與破壞。因此，減輕采煤工作面采動(dòng)應(yīng)力對(duì)巷道的影響是采動(dòng)巷道圍巖控制研究的重要內(nèi)容，是煤礦巷道圍巖卸壓法的顯著特色。

巷道圍巖遠(yuǎn)場(chǎng)卸壓法涉及范圍更廣，除巷道近場(chǎng)圍巖外，還包括采煤工作面上覆巖層分布，直接頂與基本頂強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性，采煤方法與工藝，采高、工作面長(zhǎng)度、推進(jìn)速度等開(kāi)采參數(shù)及巷道與采煤工作面的時(shí)空關(guān)系等。卸壓效果的影響因素遠(yuǎn)多于不受采動(dòng)影響的靜壓巷道。

目前，巷道圍巖遠(yuǎn)場(chǎng)卸壓法主要有深孔爆破與水力壓裂2種方法，將在下面相關(guān)章節(jié)進(jìn)行詳細(xì)論述。

2 爆破卸壓法

爆破卸壓法在煤礦井下已得到廣泛應(yīng)用，在高應(yīng)力、強(qiáng)采動(dòng)巷道圍巖控制、沖擊地壓災(zāi)害防治等方面起到重要作用。按照前述的巷道圍巖近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)的定義，可將爆破分為巷道圍巖近場(chǎng)爆破和遠(yuǎn)場(chǎng)爆破。

2.1 巷道圍巖近場(chǎng)爆破法

巷道圍巖近場(chǎng)爆破是指實(shí)施在淺部圍巖，爆破深度一般在15 m以內(nèi)的爆破。按照卸壓原理可分為松動(dòng)爆破和切縫爆破。前者是通過(guò)在爆破區(qū)形成粉碎區(qū)、裂隙區(qū)，使圍巖松動(dòng)，原來(lái)處于高應(yīng)力的圍巖卸載，降低圍巖應(yīng)力分布的不均勻性，并使高應(yīng)力向深部圍巖轉(zhuǎn)移；后者是采用聚能定向爆破，在設(shè)定的斷裂方向形成連續(xù)分布的定向裂縫而切斷頂板[31-32]，減小采煤工作面?zhèn)认锏郎喜繎翼攲?duì)圍巖變形的影響。按照爆破位置可分為頂板爆破、兩幫爆破、底板爆破，如圖4b所示。

爆破卸壓效果的影響因素包括鉆孔位置、長(zhǎng)度、角度、間距，鉆孔裝藥量、封孔長(zhǎng)度等。爆破鉆孔深度是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，應(yīng)深入到圍巖淺部的高應(yīng)力區(qū)，其設(shè)計(jì)與圍巖強(qiáng)度、圍巖結(jié)構(gòu)、圍巖應(yīng)力及巷道斷面形狀與尺寸等多種因素有關(guān)。一般隨著巷道埋深、巷道寬度的增加，鉆孔長(zhǎng)度應(yīng)加長(zhǎng)。在井下實(shí)際應(yīng)用時(shí)，鉆孔深度少則2～3 m，多則5～8 m，有的超過(guò)10 m。鉆孔間距也是一個(gè)重要參數(shù)，比較合理的鉆孔間距應(yīng)使爆破后形成的松動(dòng)破碎區(qū)能連續(xù)分布。井下采用的鉆孔間距多為0.5～2.0 m。

對(duì)于定向切頂爆破，鉆孔深度與間距是關(guān)鍵參數(shù)，應(yīng)保證在頂板中形成連續(xù)裂縫，而且爆破切頂后垮落的碎脹巖石能充滿采空區(qū)。已有的研究表明[33]，隨著切縫深度增加，巷幫上方巖層應(yīng)力逐漸減小，而且切縫越深，應(yīng)力越小。深切縫可有效控制巖層應(yīng)力分布、應(yīng)力峰值及峰值點(diǎn)距切縫邊緣的距離。山西一煤礦的實(shí)例分析得到，合理的切縫深度應(yīng)能切斷距煤層頂板10～15 m的堅(jiān)硬巖層，15 m是最佳的切縫深度。定向切頂爆破鉆孔深度一般為5～15 m，鉆孔間距多為0.5 m左右。

2.2 巷道圍巖遠(yuǎn)場(chǎng)爆破法

巷道圍巖遠(yuǎn)場(chǎng)爆破是指實(shí)施在圍巖深部，爆破深度超過(guò)巷道影響范圍的爆破。根據(jù)巷道影響半徑的估算結(jié)果，圍巖遠(yuǎn)場(chǎng)爆破深度一般不小于15 m。與圍巖近場(chǎng)爆破類似，遠(yuǎn)場(chǎng)爆破按照卸壓原理也可分為松動(dòng)爆破和切縫爆破；按照爆破位置也可分為頂板爆破、兩幫爆破、底板爆破及多級(jí)次全斷面爆破[34]。

頂板深孔爆破作為堅(jiān)硬頂板處理、強(qiáng)采動(dòng)巷道圍巖控制及沖擊地壓防治的有效手段，已在井下大量應(yīng)用[35]。通過(guò)頂板深孔松動(dòng)爆破，可弱化巷道遠(yuǎn)場(chǎng)堅(jiān)硬、完整頂板，改變頂板巖層結(jié)構(gòu)與應(yīng)力分布，降低爆破范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力水平，促使采空區(qū)頂板及時(shí)冒落，減小工作面初次來(lái)壓、周期來(lái)壓步距及強(qiáng)度，從而減輕對(duì)回采巷道的動(dòng)壓影響。深孔定向切縫爆破與巷道圍巖近場(chǎng)爆破中所述的定向切縫爆破原理相同。與松動(dòng)爆破相比，定向切縫爆破的鉆孔間距更小，以便切出要求的連續(xù)分布的定向裂縫。

巷幫煤層深孔爆破多為松動(dòng)爆破，卸壓原理與巷道圍巖近場(chǎng)爆破相同，只不過(guò)要求的鉆孔深度更大，應(yīng)力轉(zhuǎn)移的范圍更大。

底板深孔爆破多應(yīng)用于巷道底鼓控制及沖擊地壓防治。通過(guò)松動(dòng)爆破在巷道底板形成卸壓區(qū)，原來(lái)承受高應(yīng)力的圍巖應(yīng)力、積聚的彈性能得以釋放，使高應(yīng)力區(qū)向圍巖深部轉(zhuǎn)移，達(dá)到減小底鼓、防治沖擊地壓發(fā)生的目的。

在沿空留巷過(guò)程中，為解決堅(jiān)硬頂板帶來(lái)的礦壓?jiǎn)栴}而進(jìn)行的頂板深孔爆破應(yīng)用實(shí)例[36]如圖5所示。頂板爆破鉆孔分2種：沿工作面傾向、走向方向鉆孔。傾向鉆孔深度比較大，主要是松動(dòng)爆破，減小工作面來(lái)壓強(qiáng)度與步距。超前工作面每隔30 m布置1組3個(gè)鉆孔，鉆孔深度分別為81、59、16 m，仰角分別為14°、21°、39°，與巷道軸線的夾角分別為80°、80°、25°。走向鉆孔深度相對(duì)較小，為20～36 m，與巷道軸線的夾角不超過(guò)10°。每隔60 m在煤幫側(cè)開(kāi)挖鉆場(chǎng)，沿鉆場(chǎng)兩側(cè)分別布置6個(gè)鉆孔實(shí)施爆破切頂。上述爆破卸壓方案實(shí)施后，明顯減小了工作面周期來(lái)壓步距及強(qiáng)度，沿空留巷圍巖應(yīng)力狀態(tài)得到顯著改善，圍巖變形與破壞得到有效控制。

圖5 沿空留巷爆破卸壓鉆孔布置[36]Fig.5 Layout of destressing blasting boreholes for gob-side entry retaining[36]

3 水力壓裂卸壓法

水力壓裂技術(shù)較早應(yīng)用于油氣田開(kāi)發(fā)，通過(guò)壓裂儲(chǔ)層提高滲透性，以提高油氣產(chǎn)量與采收率。目前，水力壓裂技術(shù)已廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域，包括地應(yīng)力測(cè)量、煤層氣開(kāi)發(fā)、地?zé)衢_(kāi)發(fā)及CO2封存等。

在煤礦開(kāi)采中，水力壓裂技術(shù)主要應(yīng)用于瓦斯抽采中的低滲透煤層壓裂增透，及巖層控制中的采煤工作面堅(jiān)硬完整頂板弱化，高應(yīng)力、強(qiáng)采動(dòng)巷道圍巖控制及沖擊地壓防治[37-38]。最近幾年，水力壓裂圍巖卸壓技術(shù)發(fā)展迅速，取得大量研究成果[39-40]。2008年以來(lái)，中煤科工開(kāi)采研究院有限公司(煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采研究分院)在國(guó)家863計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助下，開(kāi)展了包括水力壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律、水力壓裂卸壓機(jī)理、卸壓方案與參數(shù)設(shè)計(jì)、壓裂機(jī)具與設(shè)備及壓裂效果檢測(cè)等在內(nèi)的煤礦井下水力壓裂圍巖卸壓成套技術(shù)集中攻關(guān)，取得系列研究成果[41-48]，并在多個(gè)礦區(qū)得到成功應(yīng)用。

水力壓裂圍巖卸壓技術(shù)按實(shí)施的地點(diǎn)分為地面壓裂和井下壓裂。井下壓裂按壓裂規(guī)模又分為井下區(qū)域壓裂和局部壓裂。按照壓裂巖層層位可分為高位、中位及低位壓裂：高位壓裂達(dá)到上位斷裂帶甚至彎曲下沉帶；中位壓裂達(dá)到中位斷裂帶；下位壓裂在下位斷裂帶及以下層位。下面主要以中煤科工開(kāi)采研究院有限公司取得的研究成果為主，論述圍巖水力壓裂卸壓技術(shù)。

3.1 地面水力壓裂法

煤礦地面水力壓裂是在借鑒油氣行業(yè)壓裂技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。于斌等[49-50]提出煤礦頂板地面水力壓裂控制采煤工作面與巷道礦壓的方法，從地面向采煤工作面100 m以上的高位堅(jiān)硬頂板實(shí)施壓裂，如圖6所示，在堅(jiān)硬巖層中形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，降低巖層強(qiáng)度和完整性，使堅(jiān)硬頂板巖層在工作面采后易于垮落，從而減小工作面礦壓顯現(xiàn)及對(duì)回采巷道的采動(dòng)影響。

按照鉆孔布置，地面壓裂可分為垂直孔壓裂和水平孔壓裂(圖6)。水平孔壓裂根據(jù)鉆孔軸線方向與采煤工作面推進(jìn)方向的關(guān)系，又分為平行、垂直及斜交工作面推進(jìn)方向3種情況。大同礦區(qū)地面水力壓裂堅(jiān)硬頂板的實(shí)踐表明[49]：垂直孔分級(jí)壓裂裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度達(dá)250 m，水平孔分段壓裂裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度為196～216 m，裂縫高度為43～50 m，裂縫可覆蓋整個(gè)采煤工作面范圍。壓裂后工作面液壓支架阻力降低21%，煤壁片幫率減少23%，回采巷道變形明顯減小，取得良好的卸壓效果。

圖6 地面水力壓裂堅(jiān)硬頂板示意[49]Fig.6 Schematic diagram of hard roof hydraulic fracturing from ground surface [49]

與井下水力壓裂相比，地面壓裂空間大，可采用大型壓裂設(shè)備，壓力高、流量大，可壓裂高位巖層，水力裂縫擴(kuò)展范圍大，可覆蓋采煤工作面甚至更大范圍的巖層。缺點(diǎn)是地面壓裂設(shè)備比較昂貴，地面施工需要比較大的場(chǎng)地及交通、運(yùn)輸?shù)仍O(shè)施，不像井下施工比較靈活。

3.2 井下區(qū)域水力壓裂法

井下區(qū)域水力壓裂在井下巷道或?qū)ｉT的鉆場(chǎng)中實(shí)施。采用定向鉆機(jī)在采煤工作面或巷道上方堅(jiān)硬、完整巖層中鉆進(jìn)長(zhǎng)水平孔，有時(shí)還需要射孔，然后進(jìn)行分段壓裂，起到弱化巖層、促進(jìn)采后及時(shí)垮落及卸壓的作用[51-52]。井下區(qū)域水力壓裂鉆孔布置有多種方式，如圖7所示。常用的壓裂鉆孔布置方式是在與工作面推進(jìn)方向垂直的巷道(如回撤通道)中，或在回采巷道中開(kāi)掘?qū)ｉT的鉆場(chǎng)，向目標(biāo)巖層鉆進(jìn)水平孔(圖7a)。在鉆孔達(dá)到目標(biāo)巖層高度前，需要鉆進(jìn)爬坡拐彎段鉆孔，長(zhǎng)度一般為100～150 m。水平孔的長(zhǎng)度可達(dá)500～1 000 m。鉆孔的間排距根據(jù)壓裂巖層的厚度、巖性、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力等巖層條件，及壓裂工藝、參數(shù)、壓裂設(shè)備的能力等確定，以形成有效的裂隙網(wǎng)絡(luò)。另一種壓裂鉆孔布置方式是在工作面上方壓裂巖層中布置專門的壓裂措施巷(圖7b)，巷道可垂直工作面推進(jìn)方向布置，在巷道兩側(cè)鉆進(jìn)壓裂孔，每側(cè)鉆孔深度可達(dá)1 000 m，兩側(cè)鉆孔可覆蓋范圍達(dá)2 000 m，實(shí)現(xiàn)工作面上方大范圍區(qū)域壓裂。

圖7 井下區(qū)域水力壓裂鉆孔布置Fig.7 Borehole layout of regional hydraulic fracturing in underground coal mines

井下長(zhǎng)水平孔壓裂也可僅在巷道上方實(shí)施，在頂板壓裂目標(biāo)層中沿巷道軸線鉆進(jìn)長(zhǎng)水平孔，進(jìn)行分段壓裂，使長(zhǎng)500～1 000 m的巷道卸壓。陜西彬長(zhǎng)礦區(qū)胡家河煤礦回采巷道水平長(zhǎng)鉆孔水力壓裂卸壓布置如圖8所示。共布置4個(gè)鉆孔，1、2號(hào)鉆孔和3、4號(hào)鉆孔分別位于回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷兩側(cè)的上部頂板砂巖中，距煤層高度分別為28、33 m。為了揭示區(qū)域壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)，采用Xsite軟件[53-54]建立數(shù)值計(jì)算模型，分析了單個(gè)鉆孔(4號(hào)鉆孔)壓裂裂縫三維擴(kuò)展特征。模型依據(jù)胡家河煤礦地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果及砂巖力學(xué)參數(shù)建立。模型尺寸為x×y×z=100 m×40 m×80 m。其中：x軸為東西向，y軸為南北向，z軸為垂直方向。模型為均質(zhì)砂巖，未考慮巖性變化和結(jié)構(gòu)弱面，主要用以分析主裂縫的擴(kuò)展方向。模擬結(jié)果如圖9所示。主裂縫近似為垂直縫，裂縫壁面近似垂直南北向，裂縫走向近似為東西向。通過(guò)與主應(yīng)力方向比較，壓裂裂縫宏觀方位仍受地應(yīng)力場(chǎng)控制。裂縫面近似垂直于最小主應(yīng)力方向，以起裂點(diǎn)為中心在最小主應(yīng)力法平面內(nèi)向四周展布。裂縫擴(kuò)展較為均勻，近似為較規(guī)則的橢圓狀。可見(jiàn)，壓裂裂縫可在一定范圍內(nèi)切斷堅(jiān)硬頂板巖層，減小堅(jiān)硬巖層懸頂長(zhǎng)度，降低作用在巷道的支承壓力，保護(hù)巷道。

圖8 彬長(zhǎng)礦區(qū)胡家河煤礦回采巷道區(qū)域水力壓裂鉆孔布置Fig.8 Borehole layout of regional hydraulic fracturing for gateways in Hujiahe Coal Mine,Binchang Mining Area

圖9 回采巷道區(qū)域水力壓裂裂縫擴(kuò)展數(shù)值模擬結(jié)果Fig.9 Numerical simulation results of regional hydraulic fracturing propagation for gateways

另外，除專門鉆進(jìn)水力壓裂鉆孔外，也可利用已有瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行水力壓裂卸壓，實(shí)現(xiàn)抽卸結(jié)合、一孔多用，減少鉆孔工程量[17]。

與地面壓裂相比，井下區(qū)域壓裂不需要地面場(chǎng)地，壓裂設(shè)備體積相對(duì)較小，從巷道(鉆場(chǎng))到壓裂目標(biāo)層的鉆孔工程量少，可根據(jù)井下采煤工作面與巷道布置情況靈活選擇壓裂施工地點(diǎn)，壓裂巖層層位也能達(dá)到較大高度，壓裂覆蓋面積也能達(dá)到較大范圍。

3.3 井下局部水力壓裂法

井下局部水力壓裂是在巷道中實(shí)施。采用普通鉆機(jī)向采煤工作面或巷道上方目標(biāo)巖層鉆進(jìn)傾斜鉆孔并分段壓裂，起到弱化頂板、巷道卸壓的作用。與前述地面壓裂、井下區(qū)域壓裂相比，井下局部壓裂的鉆孔深度較小，壓裂巖層的層位較低，壓裂范圍較小。但是由于施工設(shè)備體積較小、重量較輕，施工比較靈活方便。井下局部水力壓裂鉆孔基本上都是直孔。根據(jù)在鉆孔中是否設(shè)置定向槽(縫)可分為普通壓裂和定向壓裂。前者鉆孔后即進(jìn)行分段壓裂，不設(shè)置定向槽(縫)，裂縫擴(kuò)展方向很多與鉆孔軸線平行，有時(shí)并不是預(yù)期方向；后者采用切槽鉆頭或高壓水射流在鉆孔中形成與鉆孔軸線垂直的槽或縫[55-56]，然后分段壓裂，使壓裂裂縫沿著切槽或縫的方向擴(kuò)展，達(dá)到定向壓裂的目的。

根據(jù)井下局部水力壓裂的作用，可分為采煤工作面弱化和巷道卸壓2類，如圖10所示。采煤工作面頂板壓裂可在開(kāi)切眼中進(jìn)行，主要用于初次放頂[57-58]；也可在回采巷道中實(shí)施，減輕工作面礦壓顯現(xiàn)，而且對(duì)回采巷道的穩(wěn)定性也有利。

圖10 井下局部水力壓裂鉆孔布置方式Fig.10 Borehole layout of local hydraulic fracturing in underground coal mines

巷道卸壓按壓裂地點(diǎn)可分為本巷壓裂與鄰巷壓裂。本巷壓裂是超前采煤工作面在回采巷道靠煤體一側(cè)鉆進(jìn)與巷道軸線呈小角度的向上傾斜鉆孔，同時(shí)在工作面?zhèn)纫部刹贾勉@孔進(jìn)行壓裂，使工作面采過(guò)后頂板能及時(shí)垮落，減小工作面后方及側(cè)向的懸頂長(zhǎng)度，從而減輕工作面超前支承壓力范圍與大小[59]。對(duì)于沿空留巷，可在設(shè)置巷旁支護(hù)的一側(cè)向頂板傾斜鉆孔并分段壓裂，切斷或弱化完整、堅(jiān)硬頂板，使巷旁支護(hù)外側(cè)的懸頂長(zhǎng)度減小，降低基本頂回轉(zhuǎn)引起的巷道頂板下沉量及巷旁支護(hù)載荷[60]。鄰巷壓裂是在被保護(hù)巷道的相鄰巷道中進(jìn)行壓裂，多用于工作面多巷布置的復(fù)用巷道。采用UDEC數(shù)值模擬軟件計(jì)算得到的巷道頂板有無(wú)水力壓裂卸壓的應(yīng)力分布如圖11所示。無(wú)壓裂時(shí)，在煤柱、巷道左上方頂板均出現(xiàn)了很高的應(yīng)力集中。水力壓裂后，煤柱中的高集中應(yīng)力區(qū)幾乎消失，左上方頂板中的應(yīng)力集中區(qū)域也明顯縮小，使高應(yīng)力轉(zhuǎn)移到壓裂區(qū)上方，起到保護(hù)巷道的作用。同時(shí)，壓裂區(qū)頂板巖層裂紋擴(kuò)展發(fā)育，有利于采空區(qū)上方頂板及時(shí)垮落。

圖11 巷道有無(wú)水力壓裂的圍巖應(yīng)力分布Fig.11 Rock stress distribution around entry before and after hydraulic fracturing

水力壓裂卸壓效果取決于壓裂鉆孔布置方式及參數(shù)、是否切槽(縫)、壓裂參數(shù)及工藝等。局部壓裂常用的鉆孔長(zhǎng)度為20～50 m，鉆孔間距10～15 m，鉆孔與巷道軸線的夾角和仰角根據(jù)具體情況確定。為保證壓裂不影響巷道錨桿、錨索支護(hù)效果，鉆孔最下端的壓裂段必須高于錨索錨固層位。

4 應(yīng)用實(shí)例分析

4.1 井下區(qū)域水力壓裂應(yīng)用實(shí)例

4.1.1地質(zhì)與生產(chǎn)條件

井下區(qū)域水力壓裂試驗(yàn)地點(diǎn)為陜西煤業(yè)化工集團(tuán)榆北煤業(yè)公司曹家灘煤礦122108工作面。該工作面開(kāi)采2-2煤層，埋深255～338 m，煤層厚度8.08～12.36 m。采用綜放開(kāi)采方法，割煤高度6 m，按煤層厚度10 m計(jì)算，放煤高度4 m,煤層頂板巖層分布如圖12所示。頂板砂質(zhì)泥巖、粉砂巖強(qiáng)度較低，而砂巖層的強(qiáng)度較高且完整，煤層頂板0～43 m、60～120 m處存在厚硬巖層。

圖12 曹家灘煤礦2-2煤層頂板巖層分布Fig.12 Roof strata distribution of coal seam 2-2 in Caojiatan Coal Mine

工作面初采時(shí)，初次來(lái)壓步距達(dá)150 m以上；正常回采期間，部分地段周期來(lái)壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，強(qiáng)動(dòng)載形成沖擊，造成部分支架損壞，回采巷道出現(xiàn)明顯變形。為此，開(kāi)展了特厚煤層特厚堅(jiān)硬頂板區(qū)域壓裂技術(shù)研究，為工作面安全、高效開(kāi)采提供保障。

4.1.2區(qū)域水力壓裂設(shè)計(jì)

122108工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈的本質(zhì)原因是開(kāi)采煤層厚度大，上覆多層堅(jiān)硬、完整巖層不易及時(shí)垮落，造成大面積懸頂。因此，工作面強(qiáng)礦壓治理首先應(yīng)找準(zhǔn)壓裂的目標(biāo)層，然后設(shè)計(jì)合理的鉆孔布置及壓裂參數(shù)，通過(guò)水力壓裂改造目標(biāo)層，達(dá)到控制強(qiáng)礦壓的目的。

頂板巖層原位地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測(cè)試，是確定壓裂目標(biāo)層及壓裂參數(shù)的基礎(chǔ)，為此開(kāi)展了頂板巖層強(qiáng)度測(cè)試，巖層鉆孔窺視，地應(yīng)力測(cè)量及小型水力壓裂測(cè)試。巖層原位強(qiáng)度測(cè)試及鉆孔窺視結(jié)果表明，粉砂巖抗壓強(qiáng)度20～30 MPa，砂巖單軸抗壓強(qiáng)度多在50～60 MPa，且砂巖頂板層理不發(fā)育，致密、完整。地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果為：最大水平主應(yīng)力σH為24.9 MPa，最小水平主應(yīng)力σh為13.4 MPa，垂直應(yīng)力σv為8.1 MPa，地應(yīng)力場(chǎng)類型屬于σH>σh>σv，水平應(yīng)力占優(yōu)勢(shì)，壓裂過(guò)程中水平裂縫擴(kuò)展更容易。小型水力壓裂測(cè)試鉆孔直徑95 mm，仰角76°，孔深100 m，分段、分層位測(cè)試頂板巖層的壓裂曲線，確定巖層的可壓性。

基于上述地質(zhì)力學(xué)參數(shù)原位測(cè)試及小型水力壓裂測(cè)試結(jié)果，綜合考慮各種因素，確定壓裂目標(biāo)層位共3個(gè)：距離煤層頂板10、23、38 m。壓裂鉆孔布置如圖13所示。壓裂范圍沿工作面走向共1 000 m，分2期施工，每期500 m。在正常地段距離煤層頂板10、23、38 m層位分別布置1排鉆孔，共3排鉆孔，鉆孔數(shù)量分別為6、5、6。在回風(fēng)巷上方布置2個(gè)鉆孔，在主運(yùn)輸巷上方附近也布置了2個(gè)鉆孔。另外在回撤通道附近頂板布置了3個(gè)鉆孔。總工程量為：7個(gè)鉆壓場(chǎng)，38個(gè)定向鉆孔，鉆孔進(jìn)尺18 654 m。

圖13 曹家灘煤礦井下區(qū)域水力壓裂鉆孔布置Fig.13 Borehole layout of regional hydraulic fracturing in Caojiatan Coal Mines

采用的定向鉆孔和壓裂設(shè)備主要包括履帶式全液壓定向鉆機(jī)、大流量高壓泵、壓裂工具串、工況監(jiān)測(cè)、安全監(jiān)控儀器等。

4.1.3區(qū)域水力壓裂效果分析

1) 水力壓裂縫網(wǎng)展布分析。為分析區(qū)域水力壓裂縫網(wǎng)展布情況，采用地面微震儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了壓裂過(guò)程，共使用25臺(tái)微震儀，監(jiān)測(cè)井下范圍為：傾向長(zhǎng)度280 m×走向長(zhǎng)度1 000 m。圖14是F1鉆壓場(chǎng)4個(gè)鉆孔(F1-1、F1-2、F1-3、F1-5)的縫網(wǎng)展布圖。圖中不同顏色代表壓裂破裂釋放能量與背景噪音能量之比。裂縫在鉆孔兩側(cè)、前后及上下均有一定范圍的擴(kuò)展，其中以在平面內(nèi)擴(kuò)展為主。F1-1鉆孔壓裂孔段長(zhǎng)218 m，最大破裂長(zhǎng)度約340 m?？p網(wǎng)展布在鉆孔兩翼，兩翼平均長(zhǎng)度約80 m。

圖14 曹家灘煤礦井下區(qū)域水力壓裂縫網(wǎng)展布圖Fig.14 Fracture network spread distribution of regional hydraulic fracturing in Caojiatan Coal Mine

2) 水力壓裂卸壓效果分析。為合理評(píng)價(jià)區(qū)域水力壓裂卸壓效果，采用工作面礦壓監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)、鉆孔應(yīng)力計(jì)、井下微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等對(duì)工作面周期來(lái)壓情況，液壓支架工作阻力及動(dòng)載系數(shù)，工作面超前支承壓力，工作面頂板下沉及采高變化，回采巷道圍巖變形情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。工作面壓裂前后礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果及對(duì)比分析見(jiàn)表2。

注：括號(hào)內(nèi)為降幅百分比。

可見(jiàn)，壓裂后工作面周期來(lái)壓步距、持續(xù)距離減小，強(qiáng)動(dòng)載來(lái)壓大幅降低，液壓支架工作阻力、動(dòng)載系數(shù)及超前支承壓力均有不同程度的降低。頂板下沉量減小0.8～1.0 m，采高基本保持在5 m以上。頂板破斷的微震監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：壓裂前，超前工作面200 m范圍內(nèi)，微震事件頻次為12.37個(gè)/m，單次來(lái)壓微震事件平均97.75個(gè)；壓裂后，超前工作面100 m

范圍內(nèi)，微震事件頻次為6.23個(gè)/m，單次來(lái)壓微震事件平均41.67個(gè)。壓裂后，頂板破斷頻次降低，頂板超前破斷距離減小，大能量事件降低53.5%。

回采巷道圍巖變形以底鼓為主，主要發(fā)生在超前回采工作面50 m左右的范圍內(nèi)。采用區(qū)域水力壓裂技術(shù)后，巷道底鼓量減小1/3以上，維護(hù)狀況得到明顯改善。

綜上所述，區(qū)域水力壓裂技術(shù)有效控制了工作面強(qiáng)礦壓，顯著降低了液壓支架損壞率，并有利于回采巷道維護(hù)，為工作面安全、高效生產(chǎn)提供了保障。

4.2 井下局部水力壓裂應(yīng)用實(shí)例

井下局部水力壓裂試驗(yàn)地點(diǎn)為伊泰紅慶河煤礦3-1101工作面，巷道布置如圖15a所示。工作面布置3條回采巷道，其中輔助運(yùn)輸巷復(fù)用。巷道埋深700 m 左右，開(kāi)采煤層平均厚度7 m。煤層直接頂為厚9.2 m 的粉砂巖，之上依次為厚14.6 m的細(xì)砂巖、厚5.7 m的礫巖及厚21 m的中砂巖，其中細(xì)砂巖、礫巖比較堅(jiān)硬、完整。

圖15 紅慶河煤礦工作面巷道與水力壓裂鉆孔布置Fig.15 Layout of gateways and hydraulic fracturing boreholes in Hongqinghe Coal Mine

運(yùn)輸巷與輔助運(yùn)輸巷均為矩形斷面，寬度5.9 m，高度4 m，采用錨桿、錨索支護(hù)。兩者之間的煤柱寬度為30 m。由于輔助運(yùn)輸巷受本工作面超前和滯后采動(dòng)、下一個(gè)工作面超前采動(dòng)影響，圍巖變形大，底鼓嚴(yán)重，僅采用增加支護(hù)密度、錨桿錨索強(qiáng)度的方法很難有效控制巷道大變形?？紤]到煤層頂板存在厚硬巖層，本工作面采過(guò)后靠煤柱側(cè)上方的懸頂不易垮落，將集中應(yīng)力施加在煤柱上，是導(dǎo)致輔助運(yùn)輸巷變形破壞的主要原因，為此，開(kāi)展了水力壓裂弱化堅(jiān)硬頂板的試驗(yàn)。

壓裂試驗(yàn)巷道長(zhǎng)度1 000 m，壓裂鉆孔布置在運(yùn)輸巷靠輔助運(yùn)輸巷一側(cè)的煤柱旁，超前工作面一定距離實(shí)施。根據(jù)煤層頂板巖層分布確定鉆孔和壓裂參數(shù)。沿運(yùn)輸巷軸向鉆孔，與其軸線的夾角為5°，鉆孔間距10 m。鉆孔直徑58 mm，長(zhǎng)50 m，傾角50°，壓裂高度為煤層頂板以上35.3 m(圖15b)，覆蓋了細(xì)砂巖、礫巖及部分中砂巖。采用后退式單孔多次壓裂，距孔口垂直距離9 m停止，以保護(hù)錨桿錨索支護(hù)。采用的壓裂設(shè)備包括高壓注水泵、高壓跨式封孔器、水壓與流量采集儀等。

對(duì)未壓裂和壓裂的輔助運(yùn)輸巷進(jìn)行了礦壓監(jiān)測(cè)，包括煤柱應(yīng)力、輔助運(yùn)輸巷圍巖變形等。煤柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖16所示。未壓裂段，至工作面60 m應(yīng)力顯著增加，采過(guò)36 m最大，后迅速降低，最大應(yīng)力集中系數(shù)為2.9；壓裂段，至工作面70 m應(yīng)力增加，采過(guò)130 m達(dá)到最大，最大應(yīng)力集中系數(shù)2.3，明顯小于未壓裂段。巷道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：未壓裂段，頂板下沉、底鼓和兩幫移近量分別為295、1 200、725 mm；壓裂段，頂板下沉、底鼓和兩幫移近量分別為190、300、475 mm，分別降低35.6%、75%、34.5%。可見(jiàn)，水力壓裂卸壓控制輔助運(yùn)輸巷變形的效果比較顯著。

圖16 紅慶河煤礦回采巷道有無(wú)水力壓裂煤柱應(yīng)力分布Fig.16 Coal pillar stress distribution along gateway with and without hydraulic fracturing in Hongqinghe Coal Mine

5 結(jié)論與展望

卸壓法是高應(yīng)力、強(qiáng)采動(dòng)巷道圍巖控制的有效手段。經(jīng)過(guò)多年的研究與實(shí)踐，已形成了包括巷道布置法、巷道圍巖近場(chǎng)卸壓法及遠(yuǎn)場(chǎng)卸壓法在內(nèi)的巷道圍巖卸壓技術(shù)體系。將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)是首選的、最有效的卸壓法，可根據(jù)具體條件將巷道布置在采空區(qū)下方、上方、邊緣及采空區(qū)內(nèi)。巷道圍巖近場(chǎng)卸壓主要有切縫、鉆孔、爆破及掘卸壓巷等方法，通過(guò)在淺部圍巖形成一定的變形空間，減小圍巖向巷道空間的位移，同時(shí)將淺部圍巖高應(yīng)力轉(zhuǎn)移到深部，使更大范圍的圍巖承載。巷道圍巖遠(yuǎn)場(chǎng)卸壓法主要采用深孔爆破、水力壓裂等方法，通過(guò)切斷或弱化頂板減小工作面采動(dòng)應(yīng)力對(duì)巷道圍巖變形與破壞的影響。這些方法已經(jīng)不同程度地應(yīng)用于煤礦井下，多個(gè)礦區(qū)取得較好的圍巖控制效果。特別是水力壓裂技術(shù)，近年來(lái)得到比較廣泛的應(yīng)用，成為采煤工作面堅(jiān)硬頂板弱化、強(qiáng)采動(dòng)巷道圍巖卸壓的有效措施。

盡管巷道圍巖卸壓理論與技術(shù)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，也解決了很多巷道圍巖控制難題，但隨著煤礦開(kāi)采深度、強(qiáng)度不斷增加，對(duì)卸壓技術(shù)提出更高的要求，還需繼續(xù)研究與實(shí)踐。主要包括以下方面：

1) 研發(fā)巷道卸壓技術(shù)實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)研究不同卸壓方式，特別是爆破、水力壓裂等對(duì)圍巖弱化及應(yīng)力轉(zhuǎn)移的作用。

2) 進(jìn)一步研究不同卸壓法的卸壓機(jī)理。如對(duì)于水力壓裂技術(shù)，裂縫擴(kuò)展形態(tài)非常復(fù)雜，且受多種因素影響。應(yīng)進(jìn)一步研究水力壓裂裂縫開(kāi)啟、擴(kuò)展規(guī)律，及巖層強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、滲透性及地應(yīng)力等參數(shù)對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響。從時(shí)間和空間上深入研究水力壓裂對(duì)高應(yīng)力、強(qiáng)采動(dòng)巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移和調(diào)控的機(jī)理。

3) 進(jìn)一步研究不同卸壓法的適應(yīng)條件。不同的卸壓法適用于不同的巷道條件。井下實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，有些卸壓法在一定條件下效果良好，但巷道圍巖地質(zhì)條件發(fā)生變化后，卸壓效果就會(huì)變差。有的卸壓法在實(shí)施初期卸壓效果明顯，但隨著時(shí)間的推移，卸壓作用越來(lái)不明顯。應(yīng)從時(shí)間和空間上進(jìn)一步深入研究各種卸壓法的適應(yīng)性。

4) 目前，各種卸壓法方案與參數(shù)設(shè)計(jì)主要依靠經(jīng)驗(yàn)，還處于定性設(shè)計(jì)階段。應(yīng)在深入研究各種卸壓法卸壓機(jī)理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高卸壓法設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性和準(zhǔn)確性，逐步實(shí)現(xiàn)卸壓參數(shù)的定量化設(shè)計(jì)。

5) 各種卸壓法不同程度地存在施工工藝復(fù)雜、施工速度低等問(wèn)題。應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化施工工藝，開(kāi)發(fā)自動(dòng)化、智能化卸壓施工機(jī)具與設(shè)備，減少現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員，提高卸壓施工速度、效率與效果。

6) 卸壓效果的分析評(píng)價(jià)還存在很多問(wèn)題。如對(duì)于水力壓裂技術(shù)，目前還沒(méi)有準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)裂縫起裂、擴(kuò)展的儀器，急需開(kāi)發(fā)裂縫擴(kuò)展方向、路徑、開(kāi)度等裂縫參數(shù)的監(jiān)測(cè)方法及設(shè)備，以便能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)水力壓裂效果。

7) 目前還很少有卸壓法的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，卸壓方案與參數(shù)設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)、效果評(píng)價(jià)等沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)定，不利于井下推廣應(yīng)用和施工標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，應(yīng)加快卸壓法標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的制訂。

8) 不斷探索新的卸壓法，擴(kuò)大卸壓法的應(yīng)用范圍。如針對(duì)受水影響明顯的巖層，可研發(fā)應(yīng)用無(wú)水壓裂技術(shù)，包括超臨界CO2、N2等氣體壓裂技術(shù)。