康 樂

（山西焦煤霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦，山西 霍州 031400）

0 前言

在煤炭資源開采過程中，眾多難題困擾著煤炭資源的開采，其中堅(jiān)硬頂板帶來的高應(yīng)力、強(qiáng)動壓顯現(xiàn)成為煤礦企業(yè)不可避免地一類嚴(yán)重制約煤礦安全高效開采的現(xiàn)實(shí)問題。堅(jiān)硬頂板不易破斷垮落特性使巷道圍巖處于高應(yīng)力環(huán)境中，高應(yīng)力通過頂板的傳遞作用于煤壁上，造成巷道幫部圍巖變形加劇，制約煤礦安全生產(chǎn)。故而，堅(jiān)硬頂板治理成為煤礦安全生產(chǎn)的主抓方向之一[1-2]。目前針對堅(jiān)硬頂板的治理方案均為切頂卸壓，切頂?shù)拇胧┛梢詾楸魄许擺3]、靜力切頂、水力切頂，此前大多學(xué)者的研究主要集中在爆破切頂方向，對于水力切頂方案對的研究較少，因此本文對水力壓裂切頂卸壓進(jìn)行研究，利用現(xiàn)場試驗(yàn)對水力切頂卸壓的可行性進(jìn)行分析，為礦井堅(jiān)硬頂板的治理提供一定的參考與借鑒。

1 礦井概況

辛置礦地表位于山西臨汾橋西村西北1 000 m，上跑蹄村以南570 m，焦家垣東北1 800 m；地表多為荒地，北部地貌為溝壑，中部、南部均較平坦，井田面積59.08 km2,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120 萬t/a，2-208 工作面主采2 號煤，煤層為黑色，條痕褐黑色，金剛光澤，中—寬條帶狀結(jié)構(gòu)，斷口參差狀、階梯狀，內(nèi)生裂隙發(fā)育，層狀構(gòu)造。2 號煤層普氏硬度為1.4，傾角0°～3°，煤層平均厚度為3.6 m，巷道支護(hù)材料選型如表1 所示。

表1 支護(hù)材料規(guī)格表

2 水力壓裂技術(shù)及應(yīng)用分析

2107 工作面回風(fēng)巷頂板巖層較為堅(jiān)硬，形成大面積的懸頂，巷道圍巖變形控制難度較大，為減小懸臂梁長度，削弱覆巖應(yīng)力傳遞，利用水力壓裂對其進(jìn)行切頂卸壓，工作面布置及水力壓裂位置如圖2 所示。

圖1 工作面布置及水力壓裂位置圖

圖2 水力壓裂示意圖

2.1 水力壓裂施工

水力壓裂切頂卸壓主要是通過水力能量的聚集對頂板進(jìn)行預(yù)裂及弱化，使得頂板的尺寸有所降低，此時(shí)有效切斷頂板應(yīng)力的傳遞，減小巷道圍巖的受力。同時(shí)，水力壓裂切頂切斷了應(yīng)力傳遞途徑，采空區(qū)頂板在聚集的高應(yīng)力作用下按照切頂線及時(shí)垮落，將高應(yīng)力“甩”在采空區(qū)內(nèi)，有效阻止了采空區(qū)頂板在高應(yīng)力和水平應(yīng)力的聯(lián)合作用下發(fā)生回轉(zhuǎn)下沉，進(jìn)一步降低了頂板覆巖活動對工作面巷道圍巖的影響。此外，切落的頂板“甩”掉了高應(yīng)力，減小了采空區(qū)頂板垮落帶來的周期來壓強(qiáng)度，有效的保證了巷道圍巖的穩(wěn)定性。

辛置礦為了驗(yàn)證水力壓裂切頂卸壓技術(shù)的可行性，在進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行工業(yè)化驗(yàn)證。本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)長度為300 m 的水力壓裂段長度，在工作面進(jìn)風(fēng)巷道采用鉆機(jī)打孔單排布置，試驗(yàn)巷道長度布置300 m。具體施工工序：首先對巷道頂板進(jìn)行打孔，采用鉆孔窺視儀觀測頂板裂隙發(fā)育情況→結(jié)合頂板裂隙發(fā)育情況，確定水力壓力基本參數(shù)→現(xiàn)場進(jìn)行布置水力壓力鉆孔進(jìn)行施工→水力壓力試驗(yàn)實(shí)施過程→水力壓力效果監(jiān)測。煤柱側(cè)鉆孔采用鉆機(jī)打孔，設(shè)計(jì)鉆孔直徑為56 mm，鉆孔布置方向與巷道走向呈5°夾角，每個(gè)鉆孔的間距為10 m，鉆孔打設(shè)長度為41.5 m，在打設(shè)過程中每鉆進(jìn)1.5 m 實(shí)施一次水力壓力，并實(shí)時(shí)觀測頂板裂隙擴(kuò)展及頂板變形特征，出現(xiàn)異常停止施工。在進(jìn)風(fēng)巷采用雙側(cè)孔布置長度200 m。施工順序與單側(cè)孔相同，鉆孔直徑設(shè)定為56 mm，與巷道軸線方向成45°夾角，孔間距設(shè)定為10 m，每2 m 壓裂一次。

完成鉆孔布置后進(jìn)行水力壓裂施工，水力壓裂施工可分為三個(gè)部分，分別為封孔、注入高壓水、持續(xù)注壓保水。水力壓裂示意圖如2 所示。

本次井下鉆孔施工作業(yè)期為64 d，在期限內(nèi)完成全部的鉆孔打設(shè)及水力壓力實(shí)施，不涉及壓裂前的準(zhǔn)備工作時(shí)間。在工作面進(jìn)風(fēng)巷1 240～1 040 m 范圍內(nèi)布置200 m 的單排孔；在工作面進(jìn)風(fēng)巷1 040～840 m的范圍內(nèi)布置200 m 的雙排孔200 m；在工作面進(jìn)風(fēng)巷840～740 m 范圍內(nèi)布置100 m 單排孔。施工總長度為500 m，為了在完全結(jié)束壓裂施工后，對壓裂效果進(jìn)行研究，分別在工作面進(jìn)風(fēng)巷的單側(cè)孔段設(shè)置1 號測站、在雙側(cè)孔段設(shè)置2 號測站，在單排孔末端設(shè)置3 號測站，共計(jì)布置3 組測站。

壓裂現(xiàn)場采用單孔多次后退式壓裂，設(shè)定每隔2～3 m 進(jìn)行一次壓裂，單個(gè)孔壓裂次數(shù)約為10～13次，當(dāng)壓裂至距孔口13 m 的位置停止壓裂。具體的水力壓裂流程為連接封孔器→鉆孔接注水管→通高壓水泵→進(jìn)行封孔加壓→注水壓裂→相鄰孔出水或注液30 min 停泵→泄壓→開始第二段壓裂→循環(huán)壓裂。

2.2 壓裂效果分析

對回采期間的三個(gè)測站位置處巷道表面位移量進(jìn)行監(jiān)測，繪制巷道頂?shù)装寮皟蓭臀灰屏侩S回采工作面距離變化曲線如圖3 所示。

圖3 巷道圍巖變形曲線

由圖3 可以看出，在工作面回采期間，1 號測站位置處巷道底板變形量最大為144 mm，而巷道頂板下沉量為52 mm，巷道左幫移近量和右?guī)鸵平糠謩e為72 mm、2 mm，兩幫移近量為87 mm。由此說明，巷道布置單排孔進(jìn)行水力壓裂后，頂板壓力得到有效控制，圍巖整體變形幅度不大，同時(shí)，由于巷道右?guī)蜑榛炷翉?qiáng)，硬度較大不易發(fā)生形變，變形量幾乎可以忽略，能夠滿足正常回采需要；觀察2 號測站回采期間巷道圍巖的變形量可以看出，頂板下沉量為43 mm，底鼓量為107 mm，巷道兩幫的移近量為71 mm，采用雙排孔壓裂時(shí)，壓裂效果明顯優(yōu)于單排孔，巷道頂板裂隙進(jìn)一步發(fā)育，高應(yīng)力卸載效果更為徹底，此時(shí)巷道圍巖變形量比前者有了明顯的收斂；觀察3 號測站回采期間巷道變形量，可以看出此時(shí)頂板下沉量為66 mm，底鼓量為168 mm，兩幫移近量為104 mm，可以看出3 號礦壓測站整體變形量仍然不大，雖然較1號和2 號測站變形略有增加。但仍處于可控狀態(tài)，所以水力壓裂達(dá)到了預(yù)期的效果，方案可行。

3 結(jié)語

基于辛置礦實(shí)際地質(zhì)情況，對水力壓裂切頂卸壓技術(shù)進(jìn)行研究，首先對切頂卸壓機(jī)理進(jìn)行分析，給出了水力壓裂過程施工具體步驟，通過對鉆孔布置，試驗(yàn)段等分析，設(shè)計(jì)了水力壓裂切頂卸壓具體的施工方案，同時(shí)為了對切頂卸壓效果進(jìn)行分析，設(shè)定3 個(gè)監(jiān)測站，對巷道圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測，通過對測站監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，巷道圍巖變形量均處于可控范圍內(nèi)，水力壓裂切頂方案可行。