水力壓裂技術在動壓影響巷道切頂卸壓中的應用

王勝濤

（晉能控股煤業(yè)集團晉城煤炭事業(yè)部晟泰公司， 山西 晉城 048000）

引言

某礦大采高工作面留巷巷道在強烈動壓影響下出現頂板沉降明顯、兩幫收縮量和底鼓量顯著增加、錨桿索發(fā)生破斷等問題，巷道需要反復巷修才能維持正常使用，同時順槽巷道懸頂現象明顯，影響工作面安全回采。為了解決巷道變形以及工作面上隅角懸頂問題，采用在煤柱側順槽巷道進行水力壓裂的方式提前切頂，切落煤柱上方懸臂梁，剪斷頂板巖梁應力的傳遞，減小巷道所受應力，消除懸頂現象[1-2]，有效解決了動壓影響留巷巷道大變形和懸頂問題。

1 4312 工作面概況

某礦4312 大采高工作面，煤層厚度5.52 m，平均傾角4°；走向長1 714.9 m、傾斜長220.7 m，面積378 470.7 m2。地面位置位于申頭村東北部，釜山水庫南部，賈村西部。工作面東部為1315 工作面采空區(qū)，西部為4304 工作面采空區(qū)，北部無工作面，南部為4314工作面采空區(qū)，工作面巷道布置如圖1 所示。43121巷為一次使用順槽巷道，巷道懸頂上隅角瓦斯聚集，影響工作面安全回采；43122 巷為留巷巷道，受工作面回采動壓影響，巷道變形較大，影響正常使用；43121巷、43122 巷斷面為矩形，寬×高=5.2 m×3.9 m。

圖1 4312 工作面巷道布置圖

2 工作面水力壓裂設計方案

2.1 水力壓裂設備

采用切槽鉆頭在巖層中預制橫向切槽，切槽鉆頭外徑為54 mm，鉆孔直徑為56 mm。根據井下現場試驗條件，采用跨式膨脹型封隔器（見圖2）進行水力壓裂封孔，封隔器由彈性膜、鋼套、鋼管以及膨脹介質通道組成，封隔器的封孔膨脹介質為水、彈性膜為橡膠材料。使用3ZSB80/62-90 型高壓水泵（見圖3）進行注水增壓壓裂[3]。

圖2 跨式膨脹型封隔器封孔示意圖

圖3 3ZSB80/62-90 型高壓水泵

2.2 壓裂參數計算

水力壓裂高度與老頂回轉變形的巖梁層位有關，依據式（1）計算老頂巖層厚度[4]。

式中：Hi為由下而上第i 層老頂巖層的厚度，m；Hi'為由下而上第i 層老頂分層的厚度，m；M 為煤層采高，m；Ki為巖石碎脹系數，取1.15~1.33；Kz為巖石碎脹系數，取1.33~1.5；h 為直接頂厚度，m。

將4312 工作面地質力學參數代入式（1），計算出第2 層老頂巖梁，即6.10 m 砂質泥巖為巖層裂隙帶巖層，因此壓裂鉆孔垂直深度應在6.10 m 以上，并盡可能加深鉆孔深度以確保效果。

2.3 壓裂方案設計

根據4312 工作面地質構造情況及現場實際情況，選擇43121 巷17 號~20 號橫川320 m 為試驗區(qū)域，煤柱側巷幫距離皮帶2.4~3 m。為避免工作面施工干擾，水力壓裂鉆孔施工與壓裂作業(yè)應在瓦斯抽采鉆孔施工前進行，先進行水力壓裂作業(yè)，后施工瓦斯抽采鉆孔。

在43121 巷行人側布置兩排水力壓裂鉆孔，鉆孔布置如圖4—6 所示，采用深淺孔交錯布置，深淺孔間距5 m。第一排鉆孔為淺孔，布置在煤柱頂部與頂板的連接處，鉆孔參數為直徑56 mm，長度16 m，間距10 m，仰角70°，垂直煤幫施工；第二排鉆孔為深孔，開孔位置距離煤柱1~2 m，鉆孔參數為直徑56 mm，長度60 m，間距10 m，仰角70°，鉆孔與巷道軸線方向夾角5°。

圖4 4312 工作面水力壓裂鉆孔布置平面圖（俯視圖）

圖5 4312 工作面水力壓裂工作面?zhèn)茹@孔布置圖（A-A 剖面圖）

3 現場試驗效果分析

3.1 43122 巷巷道表面位移監(jiān)測分析

為分析水力壓裂對巷道圍巖變形的控制效果，在未進行壓裂段巷道和水力壓裂段巷道分別布置表面位移測站，觀測結果顯示：未采用水力壓裂技術時，巷道在工作面回采后以兩幫收縮為主，兩幫平均移近量為554.5 mm，頂底板平均移近量為463.5 mm。采用水力壓裂技術后，巷道在工作面回采后兩幫平均移近量減小為328.33 mm，頂底板平均移近量減小為140 mm。由此可見，采用水力壓裂技術后，43122 巷道圍巖變形得到很好的控制，試驗效果明顯。

圖6 43121 巷鉆孔布置斷面示意圖

3.2 4312 工作面機頭周期來壓分析

分析水力壓裂施工后工作面機頭側周期來壓的變化情況，并以此了解工作面懸頂面積的變化，機頭側支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)所得數據見表1。

表1 機頭支架壓裂前后阻力數據比較

通過對比分析機頭支架未壓裂段與壓裂段來壓數據可知，未壓裂段周期來壓步距為20.2 m，壓裂段周期來壓步距為18.88 m，水力壓裂后機頭側周期來壓步距減小1.3 m 左右。

水力壓裂切頂后，工作面機頭側整體工作阻力降低，說明壓裂切頂減小了工作面上隅角頂板懸頂面積，較好地解決了采空區(qū)上隅角懸頂問題，避免了上隅角瓦斯集聚給工作面回采帶來的安全隱患，為動壓條件下復雜困難巷道圍巖控制技術提供了新的科學依據。