水力壓裂切頂卸壓技術(shù)在南莊煤礦應(yīng)用與實(shí)踐

聶 飛

（南莊煤炭集團(tuán)南莊分公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

1 概況

南莊煤礦8824 工作面（中段）位于15#煤層，平均厚度5.8 m，傾角0°～11°，上部為12#煤采空區(qū)。8824 工作面是一個(gè)孤島工作面，工作面存在斷層1 條、陷落柱3 個(gè)。煤層基本頂為5.38 m 細(xì)砂巖，直接頂和直接底板均為泥巖，厚度分別為8.3 m 和9.43 m。

8824 回風(fēng)巷在服務(wù)期間受動(dòng)壓影響階段可分為三個(gè)階段：上區(qū)段工作面超前動(dòng)壓影響階段、上區(qū)段工作面滯后動(dòng)壓影響階段和沿空掘巷階段。

（1）上區(qū)段超前采動(dòng)影響階段：上區(qū)段超前采動(dòng)導(dǎo)致8824回風(fēng)巷圍巖變形嚴(yán)重，應(yīng)力集中明顯，在巷道掘進(jìn)期間和服務(wù)期間均發(fā)生嚴(yán)重變形，支護(hù)難度極大。

（2）滯后動(dòng)壓影響階段：8824 回風(fēng)巷與上區(qū)段回采工作面水平方向重疊導(dǎo)致上區(qū)段工作面頂板垮落不及時(shí)，上區(qū)段工作面頂板出現(xiàn)破斷不徹底、彎曲下沉，與冒落矸石接觸后存在緩慢位移，該滯后動(dòng)壓對(duì)8824 回風(fēng)巷的應(yīng)力分布影響較大。該階段僅靠圍巖淺部支護(hù)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道的有效控制，需采取措施從頂板深部改變巷道應(yīng)力賦存環(huán)境。

（3）沿空掘巷階段：上區(qū)段回采引起的側(cè)向支承應(yīng)力趨于穩(wěn)定，而沿空掘巷導(dǎo)致巷道應(yīng)力重新分布。該階段巷道的支護(hù)難度關(guān)鍵在于巷道的表面和淺部變形。

2 傳統(tǒng)卸壓方法

2.1 傳統(tǒng)卸壓方法簡(jiǎn)述

（1）切縫。主要采取底板切縫方式，切縫深度對(duì)卸壓效果有重要影響，切縫深度一般應(yīng)大于底板寬度的一半。通過切縫的施工實(shí)現(xiàn)巷道底板水平應(yīng)力的切斷，并由淺部向深部轉(zhuǎn)移，但是隨著底板巖層向切縫空間的移動(dòng)往往導(dǎo)致兩幫移進(jìn)量和頂板下沉量增加，導(dǎo)致巷道的整體穩(wěn)固性受到影響。

（2）鉆孔。鉆孔卸壓如圖1，與巷道開挖的作用原理相似，通過施工大孔徑鉆孔實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的重新分布，周圍巖體向孔內(nèi)移動(dòng)，產(chǎn)生松動(dòng)區(qū)和塑性區(qū)。

圖1 鉆孔卸壓示意圖

（3） 松動(dòng)爆破。通過在巷道的底板和兩幫施工炮孔，并采用煤礦許用炸藥進(jìn)行松動(dòng)爆破，致使形成局部裂隙進(jìn)行卸壓，達(dá)到巷道底幫應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移的目的，起到減弱巷道周邊圍巖應(yīng)力集中、保護(hù)圍巖的效果。

2.2 存在的弊端

傳統(tǒng)卸壓方法在南莊煤礦均進(jìn)行過試驗(yàn)應(yīng)用，應(yīng)用效果表明上述方法的實(shí)施在一定程度上能夠起到改變圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)、緩解動(dòng)壓顯現(xiàn)的效果，并且能夠?qū)崿F(xiàn)巷道或者工作面周邊的高應(yīng)力區(qū)的轉(zhuǎn)移釋放，但存在工程工作量大、施工成本高、卸壓效果不顯著等問題。切縫或打孔方式的弱化效果較差，尤其是在堅(jiān)硬頂板卸壓方面作用不明顯；松動(dòng)爆破方式的安全性較低，并且爆破效果難以控制。鑒于以上原因，上述三個(gè)傳統(tǒng)卸壓方法并未在南莊煤礦全面推廣應(yīng)用。通過綜合分析，研究運(yùn)用了水力壓裂切頂卸壓技術(shù)。

3 水力壓裂切頂卸壓技術(shù)

3.1 水力壓裂切頂卸壓作用原理

采用水力壓裂切頂卸壓技術(shù)[1-5]對(duì)堅(jiān)硬頂板水力分段多次壓裂和注水軟化，其作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：（1）壓裂卸壓作用。通過對(duì)鉆孔高壓注水并封孔，導(dǎo)致壓裂裂縫的擴(kuò)展延伸，破壞頂板的整體穩(wěn)固性，削弱上覆巖層儲(chǔ)存的高應(yīng)力，減小煤柱應(yīng)力集中效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)懸臂區(qū)頂板的按期有序垮落；（2）注水軟化作用。注水頂板在持續(xù)的高壓水的作用下，頂板巖石持續(xù)吸水弱化，強(qiáng)度降低，有利于頂板的及時(shí)垮落卸壓。

3.2 水力壓裂控頂技術(shù)優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)卸壓技術(shù)相比，水力壓裂控頂技術(shù)具有安全性高、鉆孔數(shù)量少的優(yōu)勢(shì)，作業(yè)效率較高；并且水力壓裂控頂技術(shù)能夠在不對(duì)正常的回采工藝產(chǎn)生干擾的前提下，實(shí)現(xiàn)頂板的快速卸壓，具有實(shí)施速度快的特點(diǎn)[6-9]。

4 水力壓裂切頂卸壓技術(shù)的應(yīng)用

4.1 水力壓裂鉆孔設(shè)計(jì)

4.1.1 設(shè)備選型

鉆孔鉆進(jìn)選用液壓坑道鉆機(jī)，鉆頭選用KZ54型切槽鉆頭，鉆頭結(jié)構(gòu)如圖2。該切槽鉆頭外徑為54 mm，施工鉆孔直徑56 mm，切槽直徑為鉆孔直徑的2 倍，能夠適用于硬度系數(shù)f=15 的堅(jiān)硬巖石的橫向切槽。根據(jù)頂板巖層強(qiáng)度特征并考慮裂紋擴(kuò)展過程中的濾失、變向及多裂縫擴(kuò)展因素，設(shè)計(jì)采用3ZSB80/62-90 型高壓水泵，注水壓力為80 MPa，流量為80 L/min。

圖2 KZ54 型切槽鉆頭

4.1.2 鉆孔布置參數(shù)和注水參數(shù)

選擇8824 回風(fēng)巷布置單排鉆孔6 個(gè)，孔距為10 m，孔徑56 mm，孔深50 m（壓裂段長(zhǎng)度37 m、非壓裂段13 m），鉆孔角度50°，垂直高度38 m，如圖3 所示。為保證巷道支護(hù)架構(gòu)的穩(wěn)定性，在鉆孔淺部區(qū)域（0～13 m）不進(jìn)行注水壓裂，為確保壓裂效果在13～50 m 范圍每隔3 m 壓裂一次，單孔實(shí)施壓裂13 次，壓裂作用持續(xù)時(shí)間不小于30 min，注水量80 L/min。

圖3 壓裂鉆孔剖視圖和俯視圖（m）

4.2 施工工藝注意事項(xiàng)

4.2.1 壓裂鉆孔施工注意事項(xiàng)

鉆孔采用鉆頭直徑56 mm 的全液壓礦用地質(zhì)鉆機(jī)，整個(gè)鉆孔開槽與打孔過程中需采用高壓水沖洗，保證孔內(nèi)無(wú)巖屑。鉆孔鉆進(jìn)過程中須注意控制鉆進(jìn)速度和鉆機(jī)壓力，保證鉆孔的光滑、平直。

4.2.2 封孔注水壓裂注意事項(xiàng)

封孔注水壓裂過程主要包括封孔工藝和高壓注水工藝。

（1）封孔工藝。封孔過程：連接安裝封孔器后，需進(jìn)行打壓試驗(yàn)，打壓手動(dòng)泵至10 MPa，觀察封孔器能否保壓；若封孔器壓力明顯下降或者鉆孔中水流快速流出，則須進(jìn)行重新封孔；手動(dòng)泵打壓完畢后，須立即關(guān)閉兩個(gè)截止閥，防止封孔器中的水倒流。

（2）高壓注水工藝。高壓注水壓裂過程：壓裂區(qū)域在注水孔40 m 以外設(shè)置警戒，鉆孔周邊不得站人，以防止注水管在高壓作用下竄出傷人；高壓水泵注水期間緩慢加壓，并注意觀察水泵壓力；加壓至預(yù)裂縫開裂時(shí)，采取保壓措施且保壓時(shí)間≥30 min，利用水壓的持續(xù)作用達(dá)到裂紋擴(kuò)展、軟化頂板的目的。加壓期間需注意觀察巷道頂板、煤幫，出現(xiàn)滲水或水流冒出則停止壓裂。

4.3 應(yīng)用效果

為檢驗(yàn)8824 工作面回風(fēng)巷水力壓裂切頂卸壓效果，開展了水力壓裂地段和非水力壓裂地段礦壓對(duì)比監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，開展水力壓裂地段的巷道頂?shù)装?、兩幫相?duì)移近量較小，說明在8824 工作面回風(fēng)巷試驗(yàn)應(yīng)用的水力壓裂技術(shù)能夠起到壓裂、軟化頂板、破壞頂板的整體穩(wěn)固性的作用，實(shí)現(xiàn)傾斜切割懸臂區(qū)頂板的按期垮落，有效解決了懸臂區(qū)應(yīng)力集中問題，達(dá)到了卸壓目的。

5 結(jié)論

水力壓裂技術(shù)在南莊煤礦8824 工作面回風(fēng)巷應(yīng)用表明，利用高壓水形成壓裂裂縫并在保壓作用下持續(xù)擴(kuò)展，對(duì)煤層懸臂區(qū)形成有效的壓裂和軟化作用，破壞頂板的整體穩(wěn)固性，能夠?qū)崿F(xiàn)懸臂區(qū)頂板的按期有序垮落。