采煤工作面巷道水力壓裂切頂卸壓技術(shù)研究

收稿日期：2024-03-19

作者簡(jiǎn)介：郭龍江（1986—），男，貴州貴陽(yáng)人，助理工程師。研究方向：采礦、機(jī)電運(yùn)輸。

摘要：某煤礦2304工作面懸頂垮落，造成巷道變形嚴(yán)重。采用水力壓裂切頂卸壓技術(shù)破壞頂板巖層完整性，減小頂板垮落對(duì)工作面的破壞?，F(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐表明，卸壓后巷道最大頂?shù)装遄冃瘟烤诎踩秶鷥?nèi)，水力壓裂切頂卸壓取得良好的施工效果。

關(guān)鍵詞：采煤工作面；巷道；水力壓裂；切頂卸壓；頂板垮落

中圖分類(lèi)號(hào)：TD327.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）05-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.05.025

Research on hydraulic fracturing and roof cutting pressure relief technology for coal mining Face roadway

GUO Longjiang

（Guizhou Branch of Hunan ABS Inspection and Certification Co.， Ltd.， Guiyang 550081， China）

Abstract： The suspended roof collapse of the 2304 working face in a certain coal mine causes severe deformation of the roadway. The hydraulic fracturing and roof cutting pressure relief technology is adopted to damage the integrity of the roof rock layer and reduce the damage of the roof collapse to the working face. On site engineering practice has shown that the maximum deformation of the roof and floor of the roadway after pressure relief is within the safe range， the hydraulic fracturing and roof cutting pressure relief have achieved good construction results.

Keywords： coal mining face; roadway; hydraulic fracturing; roof cutting pressure relief; roof collapse

采煤工作面回采后，若頂板巖層較為堅(jiān)硬，基本頂不易斷裂，易形成大面積懸頂，如果突然垮落，就會(huì)釋放巨大的能量，極易造成設(shè)備的損壞和人員的傷亡[1-2]。同時(shí)，大面積的懸頂會(huì)使巷道頂板出現(xiàn)高集中應(yīng)力，巷道圍巖變形大，變形速率快[3]。水力壓裂切頂卸壓技術(shù)可以有效將高集中應(yīng)力向煤巖體內(nèi)部轉(zhuǎn)移，縮短初次來(lái)壓和周期來(lái)壓步距，降低頂板垮落時(shí)釋放的能量，減小頂板垮落對(duì)工作面的破壞[4-5]。以某煤礦2304工作面為研究對(duì)象，采用水力壓裂切頂卸壓技術(shù)切割頂板巖層卸壓，取得良好的施工效果，有效提高巷道圍巖的穩(wěn)定性。

1 工作面概況

2304工作面位于二采區(qū)右翼，東側(cè)為井田邊界，北側(cè)與2301工作面相鄰，南側(cè)為2311工作面采空區(qū)，西側(cè)為采區(qū)3條大巷。2304工作面埋深約為750 m，主采3號(hào)煤層，平均煤厚為3.8 m，平均傾角為2°。煤層頂板主要為砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖，底板主要為泥巖、粉砂巖。工作面回采后，直接頂垮落較為及時(shí)，但基本頂細(xì)砂巖承載能力強(qiáng)，易形成大面積懸頂，垮落時(shí)礦壓顯現(xiàn)劇烈，需要采用水力壓裂切頂卸壓技術(shù)切割頂板巖層卸壓，降低頂板垮落時(shí)對(duì)圍巖的破壞。

2 切頂卸壓成巷機(jī)理

水力壓裂切頂卸壓技術(shù)是通過(guò)向鉆孔注入高壓水流，在原生裂隙和水壓裂隙共同作用下，將頂板巖層長(zhǎng)臂梁結(jié)構(gòu)變?yōu)槎瘫哿航Y(jié)構(gòu)，切斷、破壞頂板巖層的整體性，使巷道周?chē)母呒袘?yīng)力向煤巖體深部轉(zhuǎn)移，縮短初次來(lái)壓和周期來(lái)壓步距，降低頂板垮落時(shí)釋放的能量，減小大面積懸頂垮落釋放的能量對(duì)回采期間人員和設(shè)備的危害。

3 水力壓裂切頂卸壓數(shù)值模擬

3.1 模擬方案

采用FLAC 3D軟件模擬2304工作面水力壓裂切頂卸壓后圍巖應(yīng)力、位移分布情況。建立規(guī)格300 m×130 m×30 m的力學(xué)模型，X軸、Y軸與Z軸方向分別施加6.00 MPa、10.00 MPa和16.23 MPa的應(yīng)力，力學(xué)參數(shù)如表1所示。

3.2 模擬結(jié)果分析

2304工作面水力壓裂切頂卸壓前后圍巖應(yīng)力分布如圖1所示。2304工作面水力壓裂切頂卸壓前，覆巖重力經(jīng)懸臂梁傳遞至煤柱，巷道圍巖應(yīng)力升高，應(yīng)力值達(dá)到20 MPa。卸壓后，圍巖應(yīng)力向煤巖體深部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力值降低至16 MPa，減少20%。

2304工作面水力壓裂切頂卸壓前，巷道圍巖變形量大，最大頂?shù)装?、兩幫變形量分別為250 mm、150 mm。卸壓后，巷道頂?shù)装遄冃瘟繙p少較為明顯，最大頂?shù)装遄冃瘟拷档椭?00 mm，減少60%；兩幫變形量減少不明顯，最大兩幫變形量為140 mm。

4 工程實(shí)踐

4.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)參數(shù)有3個(gè)。一是注水壓強(qiáng)。根據(jù)煤巖體單軸抗拉強(qiáng)度，采用式（1）確定注水壓強(qiáng)。根據(jù)2304工作面地質(zhì)情況，將相關(guān)參數(shù)值代入式（1），可得注水壓強(qiáng)大于15 MPa。二是切頂高度。切頂卸壓后，垮落煤巖體壓實(shí)采空區(qū)，根據(jù)式（2）計(jì)算切頂高度。根據(jù)2304工作面地質(zhì)情況，將相關(guān)參數(shù)值代入式（2），可得切頂高度大于20 m。三是鉆孔布置。結(jié)合2304工作面地質(zhì)情況等因素，設(shè)計(jì)2種鉆孔布置方式，如圖2所示。不同鉆孔布置方式適用區(qū)域不同，Ⅰ類(lèi)鉆孔布置在運(yùn)輸巷和運(yùn)料巷內(nèi)，向回采幫施工，孔深為50 m，與煤體的夾角為30°；Ⅱ類(lèi)鉆孔布置在兩巷內(nèi)，向煤柱幫施工，孔深為43 m，與煤體的夾角為40°。

式中：P為注水壓強(qiáng)，MPa；k為安全系數(shù)，取1.2～1.4；Pz為煤巖體內(nèi)應(yīng)力，MPa；R為目前層位單軸抗拉強(qiáng)度，MPa；H為切頂高度，m；M為工作面采高，m；H1為直接頂垮落高度，m；H2為采空區(qū)底板鼓起量，m；K為碎脹系數(shù)，取1.2～1.6。

4.2 施工工藝

2304工作面施工鉆孔后，采用窺探儀檢查鉆孔情況，如果鉆孔完整，未塌孔，則對(duì)鉆孔進(jìn)行開(kāi)槽。鉆孔封孔后，采用高壓泵進(jìn)行水力壓裂施工，施工前在鉆孔前后20 m設(shè)置警戒線，確保人員安全。高壓注水時(shí)，時(shí)刻關(guān)注壓強(qiáng)變化及巷道頂板情況，若出現(xiàn)壓強(qiáng)驟降或頂板響動(dòng)等情況，停止加壓，用窺探儀檢查壓裂效果。

5 效果檢驗(yàn)

2304工作面采用水力壓裂切頂卸壓技術(shù)切割頂板巖層卸壓后，采用十字布點(diǎn)法觀測(cè)巷道表面位移，驗(yàn)證卸壓效果。Ⅰ斷面、Ⅱ斷面巷道圍巖變形量監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

Ⅰ斷面主要監(jiān)測(cè)巷道兩幫和底板變形量，當(dāng)工作面推過(guò)測(cè)站450 m時(shí)，巷道底板變形量達(dá)到1 200 mm，此時(shí)頂板、左幫和右?guī)妥冃瘟枯^小，分別為100 mm、300 mm和400 mm。Ⅱ斷面主要監(jiān)測(cè)巷道底板變形量，當(dāng)工作面推過(guò)測(cè)站96 m時(shí)，巷道底板變形量達(dá)到280 mm，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，底板變形量會(huì)進(jìn)一步增加，此時(shí)，頂板、左幫和右?guī)妥冃瘟枯^小，分別為110 mm、50 mm和90 mm。2304工作面采用水力壓裂切頂卸壓技術(shù)切割頂板巖層卸壓后，巷道頂板、底板變形量明顯減小，雖然兩幫變形量變化較小，但從變形量來(lái)看，水力壓裂有效控制巷道圍巖出現(xiàn)較大范圍的變形破壞。

6 結(jié)論

該煤礦2304工作面頂板巖層強(qiáng)度高，工作面回采后易形成大面積懸頂，采用水力壓裂切頂卸壓技術(shù)能夠破壞頂板巖層的整體性，縮短初次來(lái)壓和周期來(lái)壓步距，減小頂板垮落對(duì)工作面的破壞。數(shù)值模擬結(jié)果表明，水力壓裂切頂卸壓后圍巖未出現(xiàn)高集中應(yīng)力，圍巖完整性好，應(yīng)力值由20 MPa降低至16 MPa，最大頂板變形量由250 mm降低至100 mm，卸壓效果較好。現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐后，采用十字布點(diǎn)法觀測(cè)巷道表面位移，最大頂板變形量?jī)H為110 mm，正常底板鼓起量為280 mm，變形量改善較為明顯。因此，水力壓裂切頂卸壓效果較好。

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