新景公司15317 工作面超前水力卸壓技術(shù)分析研究

韓進東

（華陽新材料科技集團有限公司，山西陽泉 045000）

1 概況

新景公司15317 工作面前方為蘆南15 號煤輔助運輸巷（750～950 m 區(qū)段），停采線保護煤柱120 m，蘆南15 號煤輔助運輸巷承擔(dān)著采區(qū)行人、運輸重任，巷道服務(wù)年限長，巷道內(nèi)通行無軌膠輪車，因此對巷道整體變形量要求較為嚴(yán)格。目前該巷道730～930 m 范圍多處出現(xiàn)底板鼓起、漿皮脫落、工字鋼梁彎折、錨索破斷等現(xiàn)象，礦壓顯現(xiàn)明顯。根據(jù)新景公司生產(chǎn)經(jīng)驗，工作面超前支承壓力會造成工作面前方大巷進一步大變形。因此，為降低15317 工作面回采對蘆南15 號煤輔助運輸巷動壓擾動，控制巷道變形，決定對蘆南15 號煤輔助運輸巷750～950 m 區(qū)段應(yīng)用水力壓裂卸壓技術(shù)，在15317 工作面進風(fēng)巷及回風(fēng)巷中向15317 工作面停采線附近頂板施工鉆孔并壓裂，進行超前卸壓。

2 現(xiàn)狀分析

2.1 巷道四鄰關(guān)系

新景公司15317 工作面東為15316 工作面（未掘），南為15323 工作面（未掘），西為15318 工作面（未掘），北為蘆南15 號煤采區(qū)大巷，四鄰無采動影響。15317 工作面上部3 號煤、8 號煤、9 號煤已開采，其余煤層均未開采。15 號煤與9 號煤回采工作面平面位置關(guān)系如圖1 所示。15317 工作面上方為9108 采空區(qū)，9 號煤與15 號煤層間距為65～85 m。9108 工作面已回采完畢，停采線距離輔助運輸巷水平距離170 m。

圖1 15 號煤采區(qū)輔助運輸巷與9 號煤回采工作面關(guān)系Fig.1 Relationship between auxiliary transportation roadway in No.15 coal mining area and No.9 coal mining face

15317 工作面前方為蘆南15 號煤輔助運輸巷750～950 m 區(qū)段，該區(qū)段位于15 號煤上部，巷道如圖2 所示，巷道與15 號煤層相對位置如圖3 所示。蘆南15 號煤輔助運輸巷750～950 m 所在15號煤層周邊布置有多個工作面，北翼從西至東依次為15308 工作面、15026 工作面，南翼從西至東依次為15318 工作面、15317 工作面與15316 工作面，其中，15317 工作面計劃與2023 年5 月開始回采，回采方向自南向北，即朝向輔助運輸巷回采，預(yù)計會造成強動壓擾動。

圖2 15 號煤輔運巷布置平面圖Fig.2 Layout plan of No.15 coal auxiliary haulage roadway

圖3 輔運巷與15 號煤層位關(guān)系Fig.3 Relationship between auxiliary haulage roadway and No.15 coal seam position

15317 工作面煤層厚度4.59～6.97 m，平均為5.99 m，進風(fēng)巷及回風(fēng)巷沿15 號煤底板掘進。進風(fēng)巷與回風(fēng)巷巷道掘進寬度為5.2 m，掘進高度為3.8 m。巷道采用錨網(wǎng)索支護形式，工作面內(nèi)鉆孔柱狀如圖4 所示，可知頂板多為石灰?guī)r與砂巖，較為堅硬。

圖4 14317 工作面頂板柱狀圖Fig.4 Roof histogram of 14317 working face

2.2 巷道礦壓顯現(xiàn)

2.2.1 巷道變形情況說明

蘆南15 號煤采區(qū)輔助運輸巷目前多處出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)，其中750～950 m 段頂幫局部噴漿皮開裂，且底板有開裂現(xiàn)象。變形后斷面5.3 m，高度為3.87 m（原高度5.3 m），變形后斷面如圖5 所示。

圖5 750～950 m巷道變形后斷面Fig.5 Section after deformation of 750 ～950 m roadway

2.2.2 頂板裂隙發(fā)育窺視

新景公司在蘆南15 號煤采區(qū)輔助運輸巷730～930 m 里程范圍進行了頂板結(jié)構(gòu)窺視，窺視分析結(jié)果如圖6 所示，730～930 m 范圍頂板多處出現(xiàn)裂隙與離層。

圖6 頂板裂隙及離層窺視分析結(jié)果Fig.6 Roof cracks and separation peeping analysis results

（1） 由圖6（a） 可知，18 號探眼1.1 m 處存在離層（約0.02 m），0～0.3 m 處頂板破碎；17號探眼7.9～8.2 m 處存在縱向裂隙，5.0 m 處存在離層，4.3 m 處存在離層，3.6～3.9 m 處存在縱向裂隙，2.4 m 處存在離層，0.8～l.1 m 處存在縱向裂隙；16 號探眼8.0～8.3 m 處存在縱向裂隙，1.7～2.0 m 處存在縱向裂隙，2.4 m 處存在離層；1 號探眼8.6～9.1 m 處存在縱向裂隙（約2 mm），3.6～3.9 m 處存在縱向裂隙（約2 mm），3.2 m 處存在離層（約0.02 m），1.9 m 處存在離層（約0.02 m），0.8～0.9 m 處存在縱向裂隙（約2 mm），0～0.3 m處頂板破碎；2 號探眼6.4 m 處存在離層（約0.03 m），1.6 m 處存在離層（約0.02 m），0～0.5 m 處頂板破碎；3 號探眼6.0～6.1 m 處存在縱向裂隙（約2 mm），4.5 m 處存在離層（約0.02 m），2.9 m處存在離層（約0.02 m），2.4～2.5 m 處存在縱向裂隙（約2 mm），0.9 m 處存在離層（約0.02 m），0.4 m 處存在離層（約0.02 m），0.3 m 處存在離層（約0.02 m）

由此可知，700～800 m 以縱向裂隙與離層為主，離層主要集中在頂板上方0～6.5 m，離層開度3 mm 以內(nèi)；縱向裂隙多集中在頂板上方7～9 m，裂隙長度2 mm 以內(nèi)。整體裂隙及離層較小，部分窺視孔淺部1 m 范圍內(nèi)可觀察到破碎現(xiàn)象。

（2） 由圖6（b） 可知，28 號探眼4.3 m 處存在離層（約0.02 m），1.5～1.9 m 處存在縱向裂隙（約2 mm）；27 號探眼5.4 m 處存在離層（約0.02 m），4.4 m 處存在離層（約0.02 m），0.4～0.6 m 處存在縱向裂隙（約2 mm）；26 號探眼9.8～10.0 m 處存在縱向裂隙（約2 mm），0.3 m 處存在離層（約0.02m）；25 號探眼2.7～2.8 m 處存在縱向裂隙（約2 mm），1.5 m 處存在離層（約0.02 m），0.3～0.5 m 處存在縱向裂隙（約5 mm）；24號探眼1.7 m 處存在離層（約0.02 m）；23 號探眼3.9 m 處存在離層（約0.02 m），2.9～3.0 m 處存在縱向裂隙（約3 mm），2.3～2.4 m 處存在縱向裂隙（約2 mm），1.6～1.7 m 處存在縱向裂隙（約5 mm），1.3～1.4 m 處存在縱向裂隙（約3 mm）；22號探眼無離層，0.8～1.0 m 處存在縱向裂隙（約2 mm）；21 號探眼1.7 m 處存在離層（約0.02 m），0.9 m 處存在離層（約0.02 m），0.6 m 處存在離層（約0.02 m）。

由此可知，800～900 m 離層主要集中在頂板上方0～6 m，離層開度2 mm 以內(nèi)；部分窺視孔顯示頂板上方深部9～10 m 也出現(xiàn)縱向裂隙，裂隙發(fā)育長度較小。

2.3 巷道變形原因分析

2.3.1 埋深大、垂直應(yīng)力高

蘆南15 號煤采區(qū)輔助運輸巷周邊鉆孔資料顯示，巷道730～1500 m 改善厚度平均為560 m，埋深較大，垂直應(yīng)力估算接近14 MPa，為中等應(yīng)力區(qū)，垂直應(yīng)力水平較高，導(dǎo)致巷幫承受較大應(yīng)力，移近擠壓引起巷道底板以及頂板壓力的顯現(xiàn)。

2.3.2 硐室群擾動

輔助運輸巷730～930 m 布置多條巷道，相鄰間隔30 m 煤柱為正在炮掘的集中出煤巷，硐室群導(dǎo)致該處地應(yīng)力有所變化，導(dǎo)致巷道礦壓顯現(xiàn)。

2.3.3 地質(zhì)條件變化

一方面，輔助運輸巷730～1500 m 整體處于背斜影響范圍內(nèi)，同時巷道多處與15 號煤相交，地質(zhì)條件變化導(dǎo)致局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，進而引起巷道礦壓顯現(xiàn)；另一方面，700～800 m 局部頂板為泥巖，長時間受風(fēng)化影響，頂板易破碎，容易形成網(wǎng)兜并脫落。

2.3.4 采掘擾動

前文巷道四鄰關(guān)系描述可知，對于15 號煤工作面，目前15032 工作面向北方向回采，輔助運輸巷位于工作面采空區(qū)后方，同時其他工作面尚未開始回采，因此輔助運輸巷基本不受15 號煤采動影響；由于上覆9 號煤與15 號煤層間距大于65 m，同時9 號煤停采線距輔助運輸巷水平距離大于170 m，根據(jù)工程經(jīng)驗可知9 號煤回采對輔助運輸巷擾動很小。

但是，輔助運輸巷南翼15317 工作面即將回采，停采線保護煤柱為120 m，預(yù)計超前支承壓力會對前方輔助運輸巷造成較大影響，因此需提前采取一定措施。

3 治理方案

現(xiàn)有卸壓技術(shù)一般包括切縫、打孔、松動爆破、卸壓煤柱等，但這些方法雖能釋放或轉(zhuǎn)移巷道或工作面圍巖附近巖體中的高應(yīng)力，緩解動壓現(xiàn)象，但往往工程量較大，成本較高，使用爆破方法時，安全性較低，并且卸壓效果難以認(rèn)為控制。因此，結(jié)合新景公司生產(chǎn)經(jīng)驗，決定對蘆南15 號煤輔助運輸巷750～950 m 區(qū)段應(yīng)用水力壓裂卸壓技術(shù)。

3.1 卸壓原理

切頂卸壓技術(shù)主要有爆破切頂卸壓和水力壓裂切頂卸壓2 種，目前該技術(shù)主要用于采煤工作面堅硬頂板壓裂放頂、沖擊礦壓巷道卸壓、沿空留巷切頂卸壓、復(fù)用巷道切頂卸壓等方面。近年來，隨著我國火工品控制越來越嚴(yán)、高瓦斯礦井安全管理、淺埋爆破控頂易對地面構(gòu)成一定威脅等原因，水力壓裂切頂卸壓技術(shù)得到逐步推廣和應(yīng)用。

新景礦15317 工作面停采線前方對應(yīng)采區(qū)輔運巷750～950 m，停采線與采區(qū)輔運巷間距為190 m，預(yù)計15317 工作面超前支承壓力會對采區(qū)輔運巷造成破壞。因此，通過在工作面停采線附近工作面上方頂板進行鉆孔并進行壓裂，一方面激活工作面頂板巖層中原有裂隙并使其擴大；另一方面產(chǎn)生新裂隙，并在上覆巖層垂直應(yīng)力作用下，干預(yù)頂板垮落特征，使停采線保護煤柱上方頂板及時垮落，減緩應(yīng)力集中現(xiàn)象，如圖7 所示。

圖7 水力壓裂前后頂板主應(yīng)力變化Fig. 7 Variation of roof principal stress before and after hydraulic fracturing

但需要注意的是，水力壓裂隨促進了工作面頂板的及時垮落，減緩了超前應(yīng)力的及時傳遞，從而起到減緩采區(qū)輔助運輸巷變形的目的，但壓裂相對于頂板上方頂板賦存結(jié)構(gòu)調(diào)整有限，在地應(yīng)力不斷作用下，大巷作為永久使用巷道仍會受到工作面大結(jié)構(gòu)調(diào)整的應(yīng)力擾動，因此并不能完全實現(xiàn)應(yīng)力的“卸壓”，后期應(yīng)力會重新調(diào)整并對采區(qū)輔助運輸巷造成影響。

3.2 水力壓裂卸壓方案

在15317 工作面停采線前后一定范圍內(nèi)布置水力壓裂鉆孔并進行壓裂。鉆孔布置于15317 工作面進風(fēng)巷與回風(fēng)巷中，共計22 組鉆孔，進風(fēng)巷每組3 個鉆孔，回風(fēng)巷每組2 個鉆孔，合計55 個鉆孔，鉆孔進尺4224 m。鉆孔布置方案如圖8 所示，技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 水力壓裂初次放頂鉆孔技術(shù)參數(shù)Table 1 Hydraulic fracturing first caving drilling technical parameters table

圖8 15317 水力壓裂示意Fig.8 Hydraulic fracturing sketch of 15317 working face

（1） 進風(fēng)巷側(cè)施工鉆孔命名為L 孔，施工11組，覆蓋停采線前后共計110 m 范圍，每組為3 個鉆孔，分別為L1、L2、L3，均在巷道頂板開孔，采用履帶式地質(zhì)鉆機打孔，鉆孔直徑75 mm，鉆孔方向與巷道軸向垂直。

L1 孔仰角為17°，孔間距為10 m，鉆孔長度為110 m，鉆孔水平投影長度為105 m，終孔位置垂直高度位于巷道頂板上方38 m、煤層頂板上方34 m處，共計11 個；采用后退式分段多次壓裂，為了保證壓裂過程中巷道頂板安全，鉆孔壓裂深度為30～110 m，每2 m 壓裂1 次，每次壓裂時間20～30 min。

L2 孔仰角為35°，孔間距為10 m，鉆孔長度為63 m，鉆孔水平投影長度為52 m，終孔位置垂直高度位于巷道頂板上方38 m、煤層頂板上方34 m 處，共計11 個；采用后退式分段多次壓裂，為了保證壓裂過程中巷道頂板安全，鉆孔壓裂深度為17～63 m，每間隔2 m 壓裂1 次，每次壓裂時間20～30 min。

L3 孔仰角為60°，孔間距為10 m，鉆孔長度為44 m，鉆孔水平投影長度為22 m，終孔位置垂直高度位于巷道頂板上方38 m、煤層頂板上方34 m 處，共計11 個；采用后退式分段多次壓裂，為了保證壓裂過程中巷道頂板安全，鉆孔壓裂深度為11～44 m，每間隔2 m 壓裂1 次，每次壓裂時間20～30 min。

（2） 回風(fēng)巷側(cè)施工鉆孔命名為N 孔，施工11組，覆蓋停采線前后共計110 m 范圍，每組為2 個鉆孔，分別為N1、N2，均在巷道頂板開孔，采用履帶式地質(zhì)鉆機打孔，鉆孔直徑75 mm，鉆孔方向與巷道軸向垂直。

N1 孔仰角為24°，孔間距為10 m，鉆孔長度為119 m，鉆孔水平投影長度為105 m，終孔位置垂直高度位于巷道頂板上方38 m、煤層頂板上方34 m處，共計11 個；采用后退式分段多次壓裂，為了保證壓裂過程中巷道頂板安全，鉆孔壓裂深度為34～119 m，每2 m 壓裂1 次，每次壓裂時間20～30 min。

N2 孔仰角為35°，孔間距為10 m，鉆孔長度為48 m，鉆孔水平投影長度為52 m，終孔位置垂直高度位于巷道頂板上方38 m、煤層頂板上方34 m 處，共計11 個；采用后退式分段多次壓裂，為了保證壓裂過程中巷道頂板安全，鉆孔壓裂深度為30～48 m，每間隔2 m 壓裂1 次，每次壓裂時間20～30 min。

需注意的是，由于停采線附近布置有回撤通道，為防止回撤通道頂板下沉，回撤通道前后10 m 范圍不布置頂板壓裂孔。

4 結(jié)語

新景公司蘆南15 號煤輔助運輸巷750～950 m區(qū)段多處出現(xiàn)底板鼓起、漿皮脫落、工字鋼梁彎折、錨索破斷等現(xiàn)象，礦壓顯現(xiàn)明顯。本文針對這一情況，分析了產(chǎn)生問題的原因，指出即將回采的15317 工作面會對蘆南15 號煤輔助運輸巷動壓擾動，其超前支承壓力會對前方輔助運輸巷造成較大影響，因此決定對蘆南15 號煤輔助運輸巷750～950 m 區(qū)段應(yīng)用水力壓裂卸壓技術(shù)，在15317 工作面進風(fēng)巷及回風(fēng)巷中向15317 工作面停采線附近頂板施工鉆孔并壓裂，進行超前卸壓。對水力壓裂卸壓方案進行了分析研究，卸壓方案實施后，巷道變形量小，不再需要二次整巷，卸壓效果良好。