2301 工作面運輸巷水壓預裂卸壓技術研究

張永軍

（潞安化工集團漳村煤礦，山西 長治 046032）

1 概況

漳村煤礦2301 工作面開采三號煤層，工作面南北走向長約600 m，由2301 運輸巷、2301 回風巷構成，東西方向呈傾斜布置[1]。2301 工作面的煤層比較穩(wěn)定，煤層厚度變化較小，平均厚度在6.5 m 左右，結構簡單。直接頂為灰黑色泥巖，均厚2.84 m 左右；基本頂為灰白色中粒砂巖，均厚5.0 m 左右，發(fā)育水平層理；直接底為灰黑色泥巖，均厚1.50 m 左右；基本底為灰白色細粒砂巖，均厚4.9 m 左右。

為了提高漳村煤礦2301 工作面運輸巷巷道的穩(wěn)定性，探索采用水壓預裂卸壓技術。

2 水壓預裂卸壓技術

2.1 水力壓裂高度

根據2301 工作面一次大采高采煤工藝特點，結合煤層地質情況分析計算工作面頂板的運移狀態(tài)，根據公式計算[2]進入裂隙帶的基本頂巖層厚度。

式中：Hi為第i 層基礎基本頂巖層的厚度，m；Hi'為第i 層基本頂分層的厚度，m；M 為煤層的開采高度，m；Ki為基本頂層及其他附加巖層中的巖石膨脹系數，一般取1.15～1.33；Kz為基本頂層及其他附加巖層中的巖石膨脹系數，一般取1.33～1.5；h 為直接頂的厚度，m。

代入相關數據計算出第i層基本頂巖層的厚度，即平均煤層變化厚度為5.00 m 的中粒砂巖是裂隙帶巖層，下巖層是冒落帶巖層。因此，壓裂鉆孔的垂直深度要大于第i 層基本頂巖層厚度，也就是距離巷道頂板9.34 m 以上。為保證良好的切頂卸壓效果，在進行切頂卸壓時，應讓深度盡可能深。

2.2 鉆孔參數

對巷道進行水壓預裂鉆孔時，要綜合考慮頂板巖層結構的變化以及現場實際情況的變化。鉆孔時一般與煤柱側幫有1～2 m 的距離，鉆孔長約30 m，壓裂鉆孔與護巷煤柱的夾角為70°，每個鉆孔之間相距10 m。在鉆進時，采用Φ56 mm 的保徑加強鉆頭，在工作面共施工60 個鉆孔。利用KZ54 開槽鉆頭在鉆孔中開槽，根據預先打好鉆孔的窺視結果確定開槽位置，對裂隙段不需要進行開槽，對完整段的開槽次數暫定為一個孔開2 次槽，每兩個槽之間的距離為7 m。2301 運巷水壓預裂卸壓鉆孔布置如圖1。

在壓裂施工過程中，采用單孔后退式多次壓裂的施工方法，每間隔3 m 進行一次水壓預裂，根據鉆孔出口的窺視情況及時調整水壓預裂的次數，在距離壓裂鉆孔出口10 m 時立即停止壓裂。要特別注意的是，在進行水壓預裂的過程中，如果出現煤層頂板大面積出水，或頂板發(fā)出巨大的響聲時，要及時停止壓裂作業(yè)。

圖1 水壓預裂卸壓鉆孔布置圖

2.3 壓裂參數

根據巷道頂板巖層的應力場和頂板巖層的應力強度等多個參數，計算巷道裂縫的巖層起裂壓力[3]：

在裂紋擴展過程中，容易出現巷道變向、濾失以及擴展裂縫增多等問題，根據富裕系數，確定高壓注水系統(tǒng)中注水泵的壓力為60 MPa，水流量為80 L/min。

2.4 注水壓裂工藝

進行水壓預裂時，要同時使用封孔和高壓注水兩套水路管線。其中封孔系統(tǒng)的連接如圖2，高壓注水系統(tǒng)的連接如圖3。

圖2 封孔系統(tǒng)連接示意圖

圖3 高壓注水系統(tǒng)連接示意圖

3 監(jiān)測方法

3.1 巷道表面位移監(jiān)測

在留巷巷道壓裂段與非巷道壓裂段分別布置巷道表面位移監(jiān)測站點，通過觀測曲線分析在壓裂前后巷道兩側表面的位移變化。在布設巷道表面位移監(jiān)測站點時，采用十字曲線布點法[4]，站點端面的布置圖如圖4。分別在巷道頂底板中間的豎直方向和巷道兩幫中間的水平方向進行鉆孔，鉆孔直徑為30 mm，孔深400 mm，然后向孔中打入長400 mm、寬32 mm的輔助木樁，用小型彎形測釘將巷道頂板和上幫輔助木樁的一端進行固定，用小型平頭測釘將巷道底板和下幫輔助木樁的一端固定。監(jiān)測點各斷面之間留有0.6～1.0 m 的距離。觀測的具體操作方法為：在C、D 兩點之間通過測繩連接，在A、B 兩點之間通過鋼卷尺連接，測量后得出AO 和AB 段的值；然后進行對調，在A、B 兩點之間通過測繩連接，在C、D 兩點之間通過鋼卷尺連接，測量后得出CO 和CD段的值。每天觀測1 次。

圖4 巷道表面位移監(jiān)測斷面布置圖

3.2 液壓支架阻力監(jiān)測

為了實時監(jiān)測每個工作面上液壓支架的工作阻力，在巷道頂板機頭處布設壓力動態(tài)監(jiān)測控制系統(tǒng)，觀測每個工作面液壓支架的實際工作阻力大小，每天觀測一次，與沒有進行水壓預裂前巷道頂板的周期來壓步距和來壓強度進行比較。

3.3 煤柱應力監(jiān)測

為了監(jiān)測巷道在切頂后煤柱的應力變化規(guī)律，對2301 運輸巷水壓預裂段布設煤柱應力控制系統(tǒng)監(jiān)測分站，安裝應力測量表，對比壓裂前后煤柱所受應力的變化情況，安裝位置根據現場試驗情況來定，每天觀測2～3 次。

3.4 頂板垮落監(jiān)測

為了監(jiān)測工作面后方頂板的垮落情況，根據工作面的回采狀況，檢驗頂板水壓預裂卸壓的效果。

4 效果驗證

為了降低開采動壓對2301 運輸巷的影響，采用水壓預裂來卸壓，盡量不要在地質構造異常區(qū)域和設備機車區(qū)域進行施工。首先選定試驗地點在2301 采煤工作面超前200 m 處，采用鉆孔窺視以及歷史鉆孔資料分析等手段，分析試驗地點的巷道圍巖以及力學性能，并測量其地質力學參數，根據相關力學性能制定出水壓預裂的具體施工方案，由探放水支隊率先施工鉆孔。在試驗1#和4#鉆孔時，在孔底段鉆孔出現堵塞、封孔器卡孔等現象，導致無法進行水壓預裂，試驗效果不理想。通過對鉆孔進行重新補設和水壓預裂，試驗后鉆孔都可以進行正常壓裂。其中，水壓預裂在28～36 m 時達到23～25 MPa，在18～25 m 時達到15 MPa，頂板巖石出現壓裂，相鄰鉆孔出現反水，水壓預裂效果良好。

5 結論

（1）在對巷道頂板進行水壓預裂卸壓后，工作面采動對巷道的擾動大幅度降低，巷道變形、底鼓等現象得到明顯改善，巷道的二次維護成本有所降低。

（2）通過對巷道表面位移、液壓支架阻力、煤柱應力以及頂板垮落等監(jiān)測，根據回采期間工作面的礦壓顯現規(guī)律，可得出：水壓預裂在28～36 m時達到23～25 MPa，在18～25 m 時達到15 MPa，頂板巖石出現壓裂，相鄰鉆孔出現反水現象，壓裂效果良好。