霍爾辛赫礦井沿空留巷水力壓裂切頂卸壓技術研究應用

郭壹貴

(山西霍爾辛赫煤業有限責任公司，山西 長治 046600)

為了提高礦井煤炭資源的回采，無煤柱開采技術被廣泛采用，而無煤柱開采的關鍵在于沿空留巷[1]。而沿空巷道壓力大，給支護帶來很大的困難，若支護不符合要求，斷面難以滿足通風需要，且復用維修工程量大，導致留巷無法滿足復用要求[2-3]，極大地增加了礦井的生產成本，導致礦井采掘接續緊張，尤其是當頂板中的巖層在工作面回采后不及時垮落，該部分的荷載將一直作用在煤柱和巷幫充填體上，最終使得巷道變形量增大[3-4]。

沿空留巷水力切頂卸壓工藝目前在綜采工作面已被廣泛運用。霍爾辛赫煤礦為高瓦斯礦井，回采工作面通常采用“兩進一回”或“三進一回”等多巷布置方式。為了減少巷道掘進率，往往將其中一條或者兩條回采巷道保留下來作為下個工作面進風巷道[5-6]。目前，霍爾辛赫煤礦采用柔模混凝土沿空留巷實現“兩進一回”通風方式，滿足了工作面回采的需要，但沿空留巷巷道變形量大，且以底鼓為主，底鼓量普遍超過1 m，局部達到2 m以上，沿空留巷巷道變形嚴重。

1 工程概況

3802工作面位于井田八盤區中部，主采3號煤層，工作面走向長度為1 232 m，傾向長度為245 m，工作面平均煤厚為5.8 m。工作面對應的地面標高為937～940 m，煤層底板標高為405～431 m，煤層埋藏深度507～533 m，工作面采用“兩進一回”Y型通風方式，其煤層頂板以細粒砂巖為主，具體頂底板巖層綜合柱狀圖見圖1。3802工作面采用柔模混凝土技術進行沿空留巷，具體施工地點為3802進風巷道，后期作為3803工作面進風巷使用。該巷道為矩形斷面，巷寬6 000 mm、凈高3 500 mm，留巷在巷內沿回采側澆筑高3.5 m、厚1.5 m、強度C40的柔模混凝土墻體，留巷寬度4 500 mm。

圖1 頂底板巖層綜合柱狀圖

2 實施工藝

2.1 水力壓裂設計

超前回采工作面進行水力壓裂切頂卸壓，消除懸頂現象，降低沿空巷道頂板懸臂梁上覆荷載以及旋轉變形壓力，從而大大減小巖梁傳遞到巷旁和巷內支護的荷載，從根本上改善巷道的力學環境。沿空留巷懸頂見圖2，沿空留巷水力壓裂切頂卸壓效果見圖3。

圖2 沿空留巷懸頂

圖3 水力壓裂切頂卸壓效果

2.2 鉆孔布置及參數

施工起點為回采推進方向800 m處，終點為回采推進方向1 200 m處，總長度400 m，鉆孔沿3802進風巷布置，開孔在距回采幫1.8 m頂板處，鉆孔仰角45°，鉆孔水平投影與巷道夾角為30°，施工長度42 m，鉆孔間距15 m，孔徑63 mm，封孔長度12 m，每隔3 m壓裂1次，單孔壓裂10次，壓裂鉆孔布置及參數如圖4所示。封孔器封孔成功后即開始壓裂，待隔壁鉆孔大量出水時停止壓裂，單次壓裂時間不低于20 min，壓裂期間孔內水壓為18～25 MPa，水力壓裂施工采用煤層注水泵，型號：3ZSE-158/18，功率90 kW，泵壓最高可達到50 MPa，滿足壓裂所需水壓。

圖4 水力壓裂鉆孔布置及參數(m)

2.3 施工工藝

壓裂安裝準備—施工壓裂孔—壓裂鉆孔封孔—水力壓注—鉆孔保水—壓裂效果考察—考察壓裂范圍(通過隔壁鉆孔含水量變化)—收集相關數據—總結分析。

水力壓裂技術工藝過程如圖5所示：①采用橫向切槽的特殊鉆頭，預制橫向切槽，見圖5(a)，頂板不堅硬無需實施開槽作業；②利用高壓泵調壓為封孔器加壓使膠筒膨脹，達到封孔目的見圖5(b)，封孔器封孔壓力為12～15 MPa，保證連接處密封完好；③連接高壓泵實施壓裂見圖5(c)，試壓時加壓到2～5 MPa檢查密封情況。

圖5 水力壓裂技術示意

2.4 施工過程

1) 壓裂鉆孔封孔。連接注水鋼管將封孔器推送至預定位置(預裂縫處)進行封孔，高壓泵調壓加壓封孔器，待壓力達到10 MPa后停止加壓，觀察鉆孔并監測壓力表，檢驗封孔器能否保壓，若鉆孔中有水流出或壓力下降明顯，說明封孔失效，檢查封孔器各個連接處及封孔器本身，找出并解決問題，確保封孔器正常工作。

2) 高壓水力壓裂。開啟水壓儀，給高壓水泵先通水再通電，然后慢慢加壓，同時記錄水泵壓力表、流量計數據，繼續加壓直至預裂縫開裂，這時壓力會突然下降，保壓注水使裂紋繼續擴展，保壓注水壓裂時間根據現場壓裂情況確定，壓裂時間一般不少于20 min，沿與裂紋方向形成橫向裂紋。若巷道頂板，煤幫或鉆孔中有水滲出或冒出時，立即停止壓裂。

3) 卸壓。壓裂結束后，高壓水泵先斷電再停水，封孔器泄壓，待鉆孔中卸壓完全、穩定后，將封孔器退出鉆孔。

3 效果分析

水力壓裂切頂卸壓工程從10月10日開始施工，每天早班安排3名專業工人進行壓裂，截止到11月4日共壓裂21個鉆孔，壓裂長度約450 m。圖6為3802進風巷水力壓裂地段和非水力壓裂地段布置巷道礦壓監測測站，主要監測巷道兩幫及頂底板相對位移量，位移量通過布設十字監測點進行測定；同時對3802工作面多個液壓支架的工作阻力變化進行監測，從而評價水力壓裂切頂卸壓對頂板的弱化效果。

圖6 礦壓觀測測點布置

1) 位移監測。由圍巖移近量變化曲線(圖7、圖8)可知：在工作面推過測點160 m后，非水力壓裂區段兩幫的累計變形量為300 mm，頂底板的累計變形量為350 mm，并且仍呈逐漸遞增狀態，圍巖移近量頂底板、兩幫變形量較大；水力壓裂區段頂底板及兩幫的位移量分別為235 mm、190 mm。

圖7 非水力壓裂區段圍巖位移

圖8 水力壓裂區段圍巖位移

根據工作面采線位置與測點間距離的相對關系，水力壓裂切頂卸壓后巷道變形劃分為兩個階段：在滯后工作面 5～75 m 的位置時，水力壓裂區段巷道頂底板及兩幫的變形均較大，移近速率分別為 2.5 mm/m、1.9 mm/m；在滯后工作面 75～130 m 的位置時巷道變形速率逐漸減小，頂底板移近速率為 0.72 mm/m、兩幫移近速率為 0.82 mm/m，最終在工作面推過測點 150 m后變形量基本穩定。

2) 支架工作阻力選取工作面兩端部前后10架液壓支架，對3802工作面液壓支架的工作阻力變化進行監測。

由圖9可知，工作面機尾兩架支架的工作阻力相對較小，說明頂板巖層經過水力壓裂弱化后，在頂板形成大量裂隙，削弱了頂板的強度和完整性，頂板能夠及時垮落，周期來壓時，對支架產生的壓力較小，因此支架工作阻力較小，水力壓裂技術對頂板的控制作用很明顯。壓裂后，支架工作面端頭支架工作阻力得到明顯改善，水力壓裂可使頂板及時垮落，減小頂板來壓對工作面支架的沖擊。

圖9 3802工作面支架壓力柱形圖

4 結 語

1) 水力壓裂利用高壓水在頂板中產生裂隙并使其擴展，形成弱面，破壞圍巖結構的完整性，縮短頂板懸臂梁的長度，及時使頂板形成“短懸臂梁”結構，切斷頂板的應力傳遞路徑，降低“長懸臂梁”頂板結構對巷幫、巷旁的沖擊載荷。

2) 通過3802工作面沿空留巷水力壓裂切頂卸壓技術的研究應用，巷道兩幫移近量降低36%，頂底板移近量降低32%，有效控制了沿空巷道的穩定性，為后續巷道復用創造了良好條件，提高了無煤柱開采的成功率。

3) 水力壓裂技術在施工速度、安全性、經濟環保性上具有明顯優勢。