18104材料巷水力壓裂切頂卸壓技術實踐

溫忠強

(山西介休義棠城峰煤業有限公司，山西 介休 032000)

千萬噸級礦井生產過程中，為了降低煤炭損失及減少搬家倒面的次數，回采巷道的長度在3 000～7 000 m左右，工作面推進方向超長。因此，為了保證采掘順利接續，同時又避免已掘的巷道放置時間過長，往往在上一工作面回采的同時，開始進行下一個工作面巷道的掘進，這使得回采工作面和掘進工作面迎頭相遇的情況越來越普遍。伴隨著采掘交鋒問題的突出，迎采巷道大變形、支護部分失效，甚至局部冒頂的問題也愈加突出，這對礦井的安全高效生產造成了嚴重影響。

山西馬蘭礦18106工作面和18104工作面相鄰，煤柱的留設寬度為20 m，且煤柱上方近距離存在一層厚硬的中粗砂巖。18106掘進工作面與18104回采工作面相向施工時，在掘進工作面前后會經歷兩次應力時段產生強烈震感，第一次是由于超前支撐壓力的作用，導致掘進巷道出現應力集中，第二次則為工作面采空區頂板會彎曲下沉導致靠采空區側的壓力瞬間釋放，通過現場研究表明，掘進工作面和回采工作面相遇時會造成頂板的二次擾動，這是導致掘進巷道出現大面積破壞的主要原因，所以，實施頂板水力壓裂是解決掘進巷道變形問題的根本措施。

1 工作面概況

1.1 地質條件

山西馬蘭礦位于山西省古交市以東，距古交市區約14 km，行政區劃屬古交市管轄。批準開采02～9號煤層，生產能力為90萬t/a，井田面積為18.250 5 km2，東西長約4.8 km，南北寬約4 km，標高為+820～+430 m，目前主要開采2號、8號煤層，2號煤層厚0.50～2.60 m，平均1.64 m，8號煤層厚度1.40～2.11 m，平均1.83 m。礦井采煤工作面采用傾斜長壁后退式一次采全高開采，頂板管理為全部垮落法；采煤工藝為綜合機械化開采，掘進工藝為綜合機械化掘進，采掘巷道采用錨網索鋼帶支護，開拓巖巷采用錨網索噴漿支護。

根據相關資料可知，18104工作面主采8號煤層對應的標高為+765 m；蓋山厚度變化區間為195～400 m，除過北部區外，其他各部都為實煤區。其可采走向長為3 337.8 m，對應的煤層傾角均值為8.8°。

根據18104工作面的地質狀況可知，煤層的厚度變化區間為3.00～7.50 m，普氏硬度系數為3；老頂為各粒度的砂巖，厚度均值為11.97 m；直接頂為泥巖，厚度均值為2.45 m，兩種頂的普氏硬度系數分別為6和4。表1顯示出巖層的力學參數。

表1 煤層頂底板情況

1.2 開采技術條件

18104工作面在采煤過程中選擇了一次采全高采煤方法，且基于全部垮落法對頂板進行管理控制。根據相關資料可知，采高為5.2 m，循環進度0.8 m。相應的膠帶巷全長4 016 m，橫截面為矩形，巷道寬度5.8 m，高3.8 m。而對應的材料巷參數基本上相一致，且在支護時都選擇錨桿、錨索、鋼帶聯合支護形式，對底板通過C25混凝土進行硬化，厚度為20 cm。

2 堅硬頂板水力壓裂技術可行性

2.1 技術可行性分析

中國礦業大學研制出的63 MPa井下煤巖體水力致裂成套技術與裝備已經在神東礦區、同煤集團塔山煤礦、同忻煤礦等多礦進行了應用，技術方案中涉及的封孔器、封隔器、安裝桿和水力致裂測控儀等礦大專利產品設備制造工藝成熟，可滿足不同現場條件的要求。

通過現場實地調研，收集并分析18104工作面、18106工作面頂板的相關資料，結合相關案例，認為18104工作面材料巷上方的堅硬頂板水力壓裂弱化控制技術可行。后續還需要對堅硬頂板水力壓裂進行實驗室分析測試和水壓裂縫的數值模擬，為現場水力壓裂施工參數優化提供依據。

2.2 技術工藝

水力壓裂具體情況如圖1所示，壓裂系統的組成單元包括高壓泵、封隔器、安裝桿和監控系統。所有的設備都可重復使用，長期消耗率也處于較低水平，初次一次性投入不大。

圖1 水力壓裂工藝示意

3 水力壓裂切頂卸壓技術研究

3.1 技術原理

工作面回采產生的動壓主要是由覆巖中的厚硬中粗粒砂巖的破斷失穩引起，而且其影響區集中在工作面后方60 m范圍，該堅硬巖層在采空區一定范圍的持續活動和在巷道煤柱側的懸頂附加載荷，將造成迎采動巷道圍巖的持續不穩定。因此，為了減小迎采巷道動壓的影響，需要對該厚硬中粗粒砂巖進行水力預裂，破壞其完整性，弱化其力學性能，促使其斷裂卸壓。水力壓裂切頂卸壓的原理如圖2所示。

圖2 水力壓裂切頂卸壓原理

3.2 試驗地點及范圍

18104回采工作面和迎采動巷道位置如圖3所示，在18108材料巷進行水力壓裂現場試驗，施工區域位于采動超前影響區外100 m范圍內。

圖3 回采工作面和迎采動巷道位置

3.3 試驗方案

堅硬頂板水力預裂鉆孔布置如圖4所示。在18104材料巷內向上施工鉆孔，鉆孔施工貫穿堅硬頂板。為了快速施工，采用了錨索鉆孔，鉆孔長度為12 m，鉆孔直徑為42 mm，采用配套的小孔徑封隔器進行分段壓裂。由于堅硬頂板的厚度較大，因此需要多層壓裂，考慮到分段距離會導致裂縫的貫通，一般不小于1.5 m，確定分段距離為2 m，即12 m厚的老頂分為4段壓裂。為了保證掘進巷道在水力壓裂過程中能實現充分壓裂，使得裂縫更為發育，因此，利用單排布置壓裂鉆孔，豎直向上施工，貼煤柱幫施工，開孔位置距離300～500 mm，深度12 m，間距7 m，施工2～3個，施工位置在第一到第二超前支架范圍內(靠近泵的超前架)。在實際的施工過程中，由于各方面因素影響，頂板條件會改變，這樣鉆孔長度、間距相關的數據，也需要基于施工和壓裂狀態而進行一定調整。

圖4 堅硬頂板水力壓裂鉆孔布置

為使得水力壓裂時裂縫的數量增加，在設計壓裂模式時選擇了大排量壓裂，泵排量設置為200 L/min。根據勘探資料可知，中粗砂巖頂板的強度大，設定抗拉強度為6～8 MPa。基于400 m埋深進行分析而確定出地應力，為8～12 MPa，在富余系數設定為2倍條件下，需要的泵壓為40 MPa。

3.4 水力壓裂實施中的注意事項

1) 在進行水力壓裂時，應該隨時觀測壓力變化，當壓力變化異常時，應該立即停止水力壓裂施工，隨之進行檢查。

2) 在水力壓裂期間，高壓管路與行人應該保持一定距離，防止出現安全事故。

3) 水力致裂期間，應該設立警戒線，無關人員嚴禁進入施工區域。

4) 水力致裂施工結束后，警戒人員保持警戒，打開泄壓閥，確保管路泄壓完成后，再拆開管路，拆除封孔器和安裝桿。

5) 水力致裂施工期間要有專門的安全員負責檢查，所有水力致裂人員都要保持高度的警惕，要有強烈的責任心，認真觀察做好記錄。

3.5 效果分析

為全面檢測工作面切頂護巷的效果，及時掌握巷道圍巖變化情況，在18104材料巷地點進行了全面礦壓觀測(主要包括巷道頂底板和兩幫移近量，錨桿、錨索受力監測等)。在18104工作面回采過程中，由于工作面回采超前應力的影響，18104材料巷錨桿、錨索受力逐漸增加，巷道頂底板和兩幫移近量也達到最大值。當18104工作面停采線位置采用切頂卸壓技術后，錨桿、錨索受力減小，并隨著工作面回采空間經老頂來壓形成基本穩定結構后，錨桿、錨索受力情況基本恢復原水平，巷道頂底板和兩幫移近量亦趨于穩定，達到了原設計工作面切頂卸壓護巷的目的。

4 結 語

在18104材料巷實施水力壓裂技術，通過一段時間的觀測，與實施水力前進行對比，采掘交鋒前后，巷道變形明顯減小，工作面推過后，巷道無后續大變形。水力壓裂方案實施后，頂煤能夠及時垮落，回收率顯著提高。