2301 工作面運(yùn)輸巷水壓預(yù)裂卸壓技術(shù)研究

張永軍

（潞安化工集團(tuán)漳村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046032）

1 概況

漳村煤礦2301 工作面開采三號(hào)煤層，工作面南北走向長(zhǎng)約600 m，由2301 運(yùn)輸巷、2301 回風(fēng)巷構(gòu)成，東西方向呈傾斜布置[1]。2301 工作面的煤層比較穩(wěn)定，煤層厚度變化較小，平均厚度在6.5 m 左右，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。直接頂為灰黑色泥巖，均厚2.84 m 左右；基本頂為灰白色中粒砂巖，均厚5.0 m 左右，發(fā)育水平層理；直接底為灰黑色泥巖，均厚1.50 m 左右；基本底為灰白色細(xì)粒砂巖，均厚4.9 m 左右。

為了提高漳村煤礦2301 工作面運(yùn)輸巷巷道的穩(wěn)定性，探索采用水壓預(yù)裂卸壓技術(shù)。

2 水壓預(yù)裂卸壓技術(shù)

2.1 水力壓裂高度

根據(jù)2301 工作面一次大采高采煤工藝特點(diǎn)，結(jié)合煤層地質(zhì)情況分析計(jì)算工作面頂板的運(yùn)移狀態(tài)，根據(jù)公式計(jì)算[2]進(jìn)入裂隙帶的基本頂巖層厚度。

式中：Hi為第i 層基礎(chǔ)基本頂巖層的厚度，m；Hi'為第i 層基本頂分層的厚度，m；M 為煤層的開采高度，m；Ki為基本頂層及其他附加巖層中的巖石膨脹系數(shù)，一般取1.15～1.33；Kz為基本頂層及其他附加巖層中的巖石膨脹系數(shù)，一般取1.33～1.5；h 為直接頂?shù)暮穸?，m。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算出第i層基本頂巖層的厚度，即平均煤層變化厚度為5.00 m 的中粒砂巖是裂隙帶巖層，下巖層是冒落帶巖層。因此，壓裂鉆孔的垂直深度要大于第i 層基本頂巖層厚度，也就是距離巷道頂板9.34 m 以上。為保證良好的切頂卸壓效果，在進(jìn)行切頂卸壓時(shí)，應(yīng)讓深度盡可能深。

2.2 鉆孔參數(shù)

對(duì)巷道進(jìn)行水壓預(yù)裂鉆孔時(shí)，要綜合考慮頂板巖層結(jié)構(gòu)的變化以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的變化。鉆孔時(shí)一般與煤柱側(cè)幫有1～2 m 的距離，鉆孔長(zhǎng)約30 m，壓裂鉆孔與護(hù)巷煤柱的夾角為70°，每個(gè)鉆孔之間相距10 m。在鉆進(jìn)時(shí)，采用Φ56 mm 的保徑加強(qiáng)鉆頭，在工作面共施工60 個(gè)鉆孔。利用KZ54 開槽鉆頭在鉆孔中開槽，根據(jù)預(yù)先打好鉆孔的窺視結(jié)果確定開槽位置，對(duì)裂隙段不需要進(jìn)行開槽，對(duì)完整段的開槽次數(shù)暫定為一個(gè)孔開2 次槽，每?jī)蓚€(gè)槽之間的距離為7 m。2301 運(yùn)巷水壓預(yù)裂卸壓鉆孔布置如圖1。

在壓裂施工過程中，采用單孔后退式多次壓裂的施工方法，每間隔3 m 進(jìn)行一次水壓預(yù)裂，根據(jù)鉆孔出口的窺視情況及時(shí)調(diào)整水壓預(yù)裂的次數(shù)，在距離壓裂鉆孔出口10 m 時(shí)立即停止壓裂。要特別注意的是，在進(jìn)行水壓預(yù)裂的過程中，如果出現(xiàn)煤層頂板大面積出水，或頂板發(fā)出巨大的響聲時(shí)，要及時(shí)停止壓裂作業(yè)。

圖1 水壓預(yù)裂卸壓鉆孔布置圖

2.3 壓裂參數(shù)

根據(jù)巷道頂板巖層的應(yīng)力場(chǎng)和頂板巖層的應(yīng)力強(qiáng)度等多個(gè)參數(shù)，計(jì)算巷道裂縫的巖層起裂壓力[3]：

在裂紋擴(kuò)展過程中，容易出現(xiàn)巷道變向、濾失以及擴(kuò)展裂縫增多等問題，根據(jù)富裕系數(shù)，確定高壓注水系統(tǒng)中注水泵的壓力為60 MPa，水流量為80 L/min。

2.4 注水壓裂工藝

進(jìn)行水壓預(yù)裂時(shí)，要同時(shí)使用封孔和高壓注水兩套水路管線。其中封孔系統(tǒng)的連接如圖2，高壓注水系統(tǒng)的連接如圖3。

圖2 封孔系統(tǒng)連接示意圖

圖3 高壓注水系統(tǒng)連接示意圖

3 監(jiān)測(cè)方法

3.1 巷道表面位移監(jiān)測(cè)

在留巷巷道壓裂段與非巷道壓裂段分別布置巷道表面位移監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，通過觀測(cè)曲線分析在壓裂前后巷道兩側(cè)表面的位移變化。在布設(shè)巷道表面位移監(jiān)測(cè)站點(diǎn)時(shí)，采用十字曲線布點(diǎn)法[4]，站點(diǎn)端面的布置圖如圖4。分別在巷道頂?shù)装逯虚g的豎直方向和巷道兩幫中間的水平方向進(jìn)行鉆孔，鉆孔直徑為30 mm，孔深400 mm，然后向孔中打入長(zhǎng)400 mm、寬32 mm的輔助木樁，用小型彎形測(cè)釘將巷道頂板和上幫輔助木樁的一端進(jìn)行固定，用小型平頭測(cè)釘將巷道底板和下幫輔助木樁的一端固定。監(jiān)測(cè)點(diǎn)各斷面之間留有0.6～1.0 m 的距離。觀測(cè)的具體操作方法為：在C、D 兩點(diǎn)之間通過測(cè)繩連接，在A、B 兩點(diǎn)之間通過鋼卷尺連接，測(cè)量后得出AO 和AB 段的值；然后進(jìn)行對(duì)調(diào)，在A、B 兩點(diǎn)之間通過測(cè)繩連接，在C、D 兩點(diǎn)之間通過鋼卷尺連接，測(cè)量后得出CO 和CD段的值。每天觀測(cè)1 次。

圖4 巷道表面位移監(jiān)測(cè)斷面布置圖

3.2 液壓支架阻力監(jiān)測(cè)

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)工作面上液壓支架的工作阻力，在巷道頂板機(jī)頭處布設(shè)壓力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，觀測(cè)每個(gè)工作面液壓支架的實(shí)際工作阻力大小，每天觀測(cè)一次，與沒有進(jìn)行水壓預(yù)裂前巷道頂板的周期來壓步距和來壓強(qiáng)度進(jìn)行比較。

3.3 煤柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)

為了監(jiān)測(cè)巷道在切頂后煤柱的應(yīng)力變化規(guī)律，對(duì)2301 運(yùn)輸巷水壓預(yù)裂段布設(shè)煤柱應(yīng)力控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)分站，安裝應(yīng)力測(cè)量表，對(duì)比壓裂前后煤柱所受應(yīng)力的變化情況，安裝位置根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況來定，每天觀測(cè)2～3 次。

3.4 頂板垮落監(jiān)測(cè)

為了監(jiān)測(cè)工作面后方頂板的垮落情況，根據(jù)工作面的回采狀況，檢驗(yàn)頂板水壓預(yù)裂卸壓的效果。

4 效果驗(yàn)證

為了降低開采動(dòng)壓對(duì)2301 運(yùn)輸巷的影響，采用水壓預(yù)裂來卸壓，盡量不要在地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)域和設(shè)備機(jī)車區(qū)域進(jìn)行施工。首先選定試驗(yàn)地點(diǎn)在2301 采煤工作面超前200 m 處，采用鉆孔窺視以及歷史鉆孔資料分析等手段，分析試驗(yàn)地點(diǎn)的巷道圍巖以及力學(xué)性能，并測(cè)量其地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，根據(jù)相關(guān)力學(xué)性能制定出水壓預(yù)裂的具體施工方案，由探放水支隊(duì)率先施工鉆孔。在試驗(yàn)1#和4#鉆孔時(shí)，在孔底段鉆孔出現(xiàn)堵塞、封孔器卡孔等現(xiàn)象，導(dǎo)致無法進(jìn)行水壓預(yù)裂，試驗(yàn)效果不理想。通過對(duì)鉆孔進(jìn)行重新補(bǔ)設(shè)和水壓預(yù)裂，試驗(yàn)后鉆孔都可以進(jìn)行正常壓裂。其中，水壓預(yù)裂在28～36 m 時(shí)達(dá)到23～25 MPa，在18～25 m 時(shí)達(dá)到15 MPa，頂板巖石出現(xiàn)壓裂，相鄰鉆孔出現(xiàn)反水，水壓預(yù)裂效果良好。

5 結(jié)論

（1）在對(duì)巷道頂板進(jìn)行水壓預(yù)裂卸壓后，工作面采動(dòng)對(duì)巷道的擾動(dòng)大幅度降低，巷道變形、底鼓等現(xiàn)象得到明顯改善，巷道的二次維護(hù)成本有所降低。

（2）通過對(duì)巷道表面位移、液壓支架阻力、煤柱應(yīng)力以及頂板垮落等監(jiān)測(cè)，根據(jù)回采期間工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，可得出：水壓預(yù)裂在28～36 m時(shí)達(dá)到23～25 MPa，在18～25 m 時(shí)達(dá)到15 MPa，頂板巖石出現(xiàn)壓裂，相鄰鉆孔出現(xiàn)反水現(xiàn)象，壓裂效果良好。