采煤工作面水力切頂卸壓護(hù)巷技術(shù)應(yīng)用

司廣宏，王 剛，李 鋼

(潞安化工集團(tuán) 余吾煤業(yè)公司礦壓治理研究中心， 山西 長(zhǎng)治 046100)

余吾礦主采3#煤層，礦井西翼采區(qū)在煤層中布置有5條永久大巷，擔(dān)負(fù)整個(gè)采區(qū)的通風(fēng)、出煤及物料運(yùn)輸任務(wù)。在采煤工作面末采時(shí)期，5條大巷受回采動(dòng)壓擾動(dòng)影響，會(huì)發(fā)生不同程度的頂板下沉、幫鼓及底鼓變形，同時(shí)伴隨有支護(hù)失效現(xiàn)象，給安全生產(chǎn)帶來隱患。采煤工作面回采期間，在煤層上方堅(jiān)硬頂板形成的傳遞巖梁作用下，工作面前方巷道會(huì)受到超前支承應(yīng)力影響，產(chǎn)生不同程度變形[1]. 根據(jù)相關(guān)研究及現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，采煤工作面動(dòng)壓影響范圍至少有數(shù)十米[2-3]，而工作面前方微震活動(dòng)規(guī)律表明，影響范圍甚至可達(dá)到數(shù)百米[4-5]. 針對(duì)煤層巷道群易受回采工作面末采階段動(dòng)壓擾動(dòng)難題，在余吾礦N1206工作面末采階段開展了高壓水力切頂卸壓試驗(yàn)。

1 工作面概況

余吾礦N1206工作面標(biāo)高+440 m～+465 m，煤層平均厚度6.4 m，膠帶順槽長(zhǎng)1 013 m，回風(fēng)順槽長(zhǎng)954 m，切眼平距254 m. 煤層直接頂為0.96 m厚的砂質(zhì)泥巖，基本頂為3.7 m厚的粉砂巖，其上仍有多層較厚的中粒砂巖及粉砂巖，總厚度達(dá)到19.07 m，頂?shù)装鍘r性特征見表1.

表1 N1206工作面頂?shù)装鍘r性特征表

工作面停采線距離西翼2#回風(fēng)大巷最短距離151 m，最長(zhǎng)距離196 m，工作面末采階段布置圖見圖1.

圖1 N1206工作面末采階段位置圖

2 技術(shù)原理

高壓水力壓裂技術(shù)可以削弱煤層上方堅(jiān)硬巖層的完整性，進(jìn)而減少工作面前方傳遞應(yīng)力，同時(shí)使巷道附近的高應(yīng)力轉(zhuǎn)移至實(shí)體煤巖的深部，最終達(dá)到主動(dòng)卸壓目的，減緩巷道變形，是礦山壓力控制的重要手段[6]. 利用大功率鉆機(jī)對(duì)需要壓裂的頂板打孔至特定深度，再換裝特制的鉆頭在孔底開槽形成定向切口，之后對(duì)切口段封孔并注入高壓水，在高壓水的作用下，切口端部產(chǎn)生極高的拉應(yīng)力致使巖層產(chǎn)生定向的擴(kuò)展裂隙，最終破壞巖層的整體性。根據(jù)工作面頂板巖性情況，壓裂孔的垂深應(yīng)最大程度覆蓋堅(jiān)硬頂板范圍，以取得較好的卸壓效果。

3 施工方案

N1206膠順輔運(yùn)巷和N1206膠帶順槽需要壓裂段長(zhǎng)度約260 m，總共布置28個(gè)水力壓裂鉆孔。其中，N1206膠順輔運(yùn)巷布置21個(gè)鉆孔(1#—21#)；N1206膠帶順槽布置7個(gè)鉆孔(22#—28#). 鉆孔間距10 m，采用d56 mm鉆頭，利用ZLJ250地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)，鉆孔深度42 m，1#—21#鉆孔仰角45°，22#—28#鉆孔仰角55°，開口位置距頂角0.5 m. 巷道頂板水力壓裂鉆孔布置見圖2.

圖2 N1206水力壓裂鉆孔布置圖

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為全面監(jiān)測(cè)N1206工作面水力壓裂效果，分別在N1206膠順輔運(yùn)巷壓裂段、西翼進(jìn)風(fēng)大巷及西翼2#回風(fēng)大巷內(nèi)布置3組錨桿(索)測(cè)力計(jì)和30組表面位移測(cè)站。從工作面收尾至支架回撤結(jié)束，對(duì)布置的礦壓監(jiān)測(cè)測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行不間斷收集。

1) 錨桿(索)受力分析。

錨桿(索)受力情況見表2.

表2 錨桿(索)受力情況統(tǒng)計(jì)表

從表2可看出，回架后錨桿(索)受力數(shù)據(jù)整體呈上升趨勢(shì)，增量2.3～21.7 kN. 說明回架后基本頂進(jìn)一步斷裂，支承應(yīng)力峰值前移，造成錨桿(索)受力值上升。由于提前采取了水力壓裂施工，巷道錨桿(索)受力數(shù)值增幅并不大，且現(xiàn)場(chǎng)未發(fā)現(xiàn)錨桿(索)崩斷等明顯來壓現(xiàn)象。

2) 表面位移數(shù)據(jù)分析。

巷道表面位移情況見表3.

表3 巷道表面位移情況統(tǒng)計(jì)表

從表3可得出以下結(jié)論：

a) 回架前4個(gè)月內(nèi)巷道兩幫位移量在0.22～0.36 m波動(dòng)，且沒有穩(wěn)定，每月位移增量在0.05～0.09 m；回架后3個(gè)月內(nèi)兩幫位移量在0.2～0.26 m波動(dòng)，巷道變形較大，平均每月位移增量在0.07～0.09 m；回架3～6個(gè)月內(nèi)巷道兩幫平均每月變形量為0.04～0.06 m，10個(gè)月內(nèi)兩幫總體變形量達(dá)到0.55～0.75 m.

b) 巷道頂?shù)装逦灰屏颗c兩幫位移量相差不大，10個(gè)月累計(jì)移近量達(dá)到0.50～0.67 m，主要以底鼓變形為主。與兩幫變形規(guī)律相似，頂?shù)装逶诠ぷ髅媸瘴财谂c回架期變形較大，回架結(jié)束后最終變形速度穩(wěn)定在每月移近0.02～0.05 m.

c) 對(duì)比以往N1102工作面回采完畢(未采取水力壓裂措施)礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果，巷道兩幫移近量1.2～1.4 m，頂?shù)装逡平?～1.2 m，采取水力壓裂切頂措施后，巷道兩幫位移量減小至0.55～0.75 m，頂?shù)装逡平繙p小至0.50～0.67 m，巷道變形量減少近一半?？梢娝毫鸭夹g(shù)可減緩綜采工作面對(duì)大巷的礦壓擾動(dòng)影響，在減少零散修巷工程量、延長(zhǎng)巷道服務(wù)期限方面效果顯著。

5 結(jié) 論

余吾礦N1206采煤工作面末采期高壓水力切頂技術(shù)的應(yīng)用使受影響臨近大巷兩幫變形量由原來的1.3 m減少至0.6 m左右，頂板變形量由原來1.1 m降低至0.6 m左右，間接減少了礦井巷修工程量，保證了巷道的穩(wěn)定。同時(shí)為動(dòng)壓影響的大巷維護(hù)提供了另外一種途徑，實(shí)現(xiàn)了巷道維護(hù)由過去單一的強(qiáng)支護(hù)被動(dòng)承載到主動(dòng)卸壓方式的轉(zhuǎn)變，豐富了礦井的護(hù)巷手段，為后期水力切頂卸壓護(hù)巷常態(tài)化應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。