斜溝煤礦迎采掘巷水力壓裂切頂卸壓技術(shù)研究

翟振宇

（山西焦煤西山煤電斜溝煤礦，山西 興縣 033600）

0 引 言

斜溝煤礦為保證正常的采掘銜接部署，擬在18104 工作面回采過程當(dāng)中掘進相鄰近18106 工作面的18106 皮帶巷。迎采掘巷可以達到回采工作面機電設(shè)備就近搬遷和保證采掘接續(xù)效率的目的，將比通常工作面回采結(jié)束后再掘進鄰近工作面回采巷道的工藝準備時間更短、更高效，然而回采和掘進兩個生產(chǎn)作業(yè)會有影響作用區(qū)域，將會引起迎采掘進巷道圍巖變形大和支護困難等問題。因此，為避免迎采掘進的18106 皮帶巷受18104 工作面采動影響，需要將水力壓裂切頂卸壓技術(shù)應(yīng)用于18104 材料巷的頂板處理當(dāng)中，以減輕迎采掘進的18106 皮帶巷受到的采動影響。

1 工作面情況

18104 工作面主采8 號煤層，工作面標(biāo)高+765～+822 m，地面標(biāo)高+1 003～+1 186 m，蓋山厚度195～400 m。西側(cè)為18102 工作面采空區(qū)，南側(cè)為實煤區(qū)，東側(cè)為18106 工作面。18104 工作面可采走向長度3 337.8 m，傾斜長283 m。煤層傾角為6.9°～10.8°，平均為8.8°。工作面煤層厚度為3.00～7.50 m，平均5.19 m，普氏硬度系數(shù)為3。18104 工作面煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 18104 工作面煤層頂?shù)装迩闆r表

18104 工作面采用綜采工藝，采高5.19 m，循環(huán)進度0.8 m，超前支護長度30 m。18104 材料巷采用矩形斷面，掘?qū)?.2 m，掘高3.8 m。迎采掘進的18106 皮帶巷長度4 016 m，為矩形斷面，掘?qū)?.8 m，掘高3.8 m。兩巷均采用錨網(wǎng)索帶聯(lián)合支護形式，底板采用標(biāo)號C25 的水泥硬化，高度200 mm。

2 水力壓裂切頂卸壓技術(shù)

2.1 水力致裂工藝

水力壓裂的工藝示意如圖1 所示，水利壓裂系統(tǒng)由高壓泵（含高壓膠管、水箱和電控箱）、封隔器、安裝桿、實時監(jiān)控系統(tǒng)所組成，其施工工藝為打設(shè)鉆孔→安裝封孔器→開泵高壓注水→停泵卸壓→拆移相關(guān)裝備。

圖1 水力壓裂工藝示意圖

2.2 迎采掘巷圍巖控制思路

工作面回采產(chǎn)生的動壓主要是由覆巖中的厚硬中粗粒砂巖的破斷失穩(wěn)引起，而且其影響區(qū)集中在工作面后方60 m 范圍，該堅硬巖層在采空區(qū)一定范圍的持續(xù)活動和在巷道煤柱側(cè)的懸頂附加載荷，將造成迎采動巷道圍巖的持續(xù)不穩(wěn)定。因此，為避免迎采掘進的18106 皮帶巷受18104 工作面采動影響，需要將水力壓裂切頂卸壓技術(shù)應(yīng)用于18104 材料巷的頂板處理當(dāng)中，以破壞其頂板的整體性和穩(wěn)定性，使其在回采過程中及時斷裂卸壓。水力壓裂切頂卸壓的原理如圖2 所示。

圖2 水力壓裂切頂卸壓原理圖

3 水力壓裂切頂卸壓技術(shù)方案

在18104 材料巷內(nèi)貼煤柱幫垂直向上施工水力壓裂鉆孔，距幫300～500 mm，鉆孔長度為12 m，鉆孔直徑為42 mm，鉆孔間距7 m，單排布置的方式，通過配套的小孔徑封隔器對其實施分段壓裂。由于堅硬頂板的厚度較大，因此需要多層壓裂，考慮到分段距離會導(dǎo)致裂縫的貫通，一般不小于1.5 m，確定分段距離為2 m，也就是對基本頂進行5 段水力壓裂。根據(jù)現(xiàn)場頂板和開泵注水的變化情況，適時調(diào)整水力壓裂鉆孔的長度、間距等參數(shù)。水力壓裂鉆孔布置如圖4 所示。

圖3 水力壓裂鉆孔布置

為了保證水力壓裂過程中裂縫效果，采用大排量壓裂方式，壓力泵排量200 L/min。鑒于基本的較為堅硬，其普氏系數(shù)為6～7，抗拉強度為8～12 MPa，按水壓富余系數(shù)為2 倍予以考慮，壓力泵的所提供壓力要大于40 MPa。

4 水力壓裂切頂卸壓技術(shù)措施

4.1 液壓鉆車安全技術(shù)措施

1）操作液壓鉆車只有經(jīng)過培訓(xùn)合格被授權(quán)操作的專職司機才能操作，操作者限定2 人，1 人操作機器（操作者在開車前必須檢查確認周圍確實安全）、1 人更換鉆桿，更換鉆桿時需注意協(xié)調(diào)配合好，以防推力過大導(dǎo)致鉆桿斷裂崩傷更換鉆桿人員。

2）開機前必須檢查確認頂板的支護可靠并應(yīng)認真檢查機器狀況，在裝卸時一定要注意周圍人員，避免在機器移動過程中碰撞人員。在破碎時，特別是破碎硬巖時，會產(chǎn)生一定的振動，造成沖擊效率降低，良好的接地可以加強穩(wěn)定性，減少振動。若施工深孔失效后，需在距原孔200 mm 處重新施工深孔。

4.2 水力壓裂安全技術(shù)措施

1）現(xiàn)場作業(yè)人員要按規(guī)定程序進行注水作業(yè)操作，根據(jù)現(xiàn)場高空作業(yè)情況配置高凳或者搭設(shè)腳手架，若作業(yè)高度大于2 m，登高人員必須系安全繩防護。在注水地點附近要吊掛CO、CH4傳感器，其有毒有害氣體不超標(biāo)時方允許通電開動。

2）在水力壓裂作業(yè)時，作業(yè)人員要與注水孔的間距超過20 m，避免高壓水流及水管竄出對作業(yè)人員造成人身安全傷害。若出現(xiàn)鉆孔中涌出大量裂隙水時，必須立即斷電并停止施工，在保證安全的情況下用封隔器封閉鉆孔，其他作業(yè)人員要馬上撤出，待地測部門查清情況排除隱患后，方允許繼續(xù)施工。

3）在結(jié)束水力壓裂作業(yè)后，采用黃泥來封閉鉆孔，其封閉長度自鉆孔口往孔內(nèi)要大于1 m，在高壓泵斷電撤出封隔器前，注水鉆孔附近禁止作業(yè)人員進入，避免封隔器滑出對作業(yè)人員造成人身安全傷害。

5 水力壓裂切頂卸壓技術(shù)效果

為檢驗水力壓裂切頂卸壓技術(shù)應(yīng)用效果，圖4所示為水力預(yù)裂5 號鉆孔窺視結(jié)果。

圖4 水力預(yù)裂5 號鉆孔窺視結(jié)果

由圖4 可以看出，受高壓注水的影響，水力預(yù)裂5 號鉆孔在3～4 m、7～8 m 的范圍內(nèi)具有顯著的豎向裂隙帶，其寬度范圍為1～4 mm。因此，在工作面回采過程當(dāng)中，豎向裂隙帶可以及時延伸發(fā)展，堅硬的厚層基本頂也可以被及時切斷垮落，從而保證迎采掘進巷道圍巖的穩(wěn)定性。

6 結(jié) 語

為避免迎采掘進的18106 皮帶巷受18104 工作面采動影響，通過將水力壓裂切頂卸壓技術(shù)應(yīng)用于18104 材料巷的頂板處理當(dāng)中，通過鉆孔窺視對水力壓裂切頂卸壓技術(shù)應(yīng)用效果進行檢驗得出，受高壓注水的影響，水力預(yù)裂5 號鉆孔在3～4 m、7～8 m 范圍具有顯著的豎向裂隙帶，其寬度范圍為1～4 mm。因此，在工作面回采過程當(dāng)中，豎向裂隙帶可以及時延伸發(fā)展，堅硬的厚層基本頂也可以被及時切斷垮落，從而保證迎采掘進巷道圍巖的穩(wěn)定性。