18103工作面動壓巷道頂板水力壓裂卸壓技術與試驗

郝少龍

（山西王家?guī)X煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036600）

隨著煤炭需求量的不斷提高，煤礦開采強度增加，動壓巷道的變形問題，如變形速度快、變形量大、變形形式復雜、變形無法穩(wěn)定等特點日益突顯[1-2]。動壓巷道大變形的原因往往是巷道、煤柱和實體煤上方賦存的采動支承壓力，為此，專家技術人員提出了卸壓技術用于治理動壓巷道大變形的措施，目前常采用切縫卸壓、鉆孔卸壓、松動爆破、卸壓煤柱等卸壓方式[3-5]。王家?guī)X煤礦18103輔運順槽既服務于18103工作面，又服務于下個工作面，屬于典型的動壓影響巷道，巷道支護難度大。因此，擬采用水力壓裂技術在工作面膠運順槽進行頂板卸壓，削弱采動應力對工作面輔運順槽穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

18103工作面開采4#煤層，布置了三條順槽（膠運順槽、回風順槽、輔運順槽），輔運順槽與膠運順槽之間留設25 m煤柱，輔運順槽為下個面回風順槽。4#煤層賦存穩(wěn)定，平均厚度7.75 m，平均傾角為6°，含2～3層夾矸，埋深300 m。采用電子鉆孔窺視儀進行圍巖結構探測，鉆孔角度為50°，孔深50 m，測點頂板以上0～6.2 m為頂煤，黑色，煤層結構較復雜，含矸1～6層。頂板煤層較為完整，6.2～10.4 m為砂質(zhì)泥巖，隨放頂后易垮落，10.4～42 m為砂巖，巖層呈灰白色，砂質(zhì)膠結巖層相對較為完整，巖性單一。

2 動壓巷道頂板水力壓裂卸壓技術

（1）施工方案

① 沿膠帶順槽布置壓裂鉆孔S，鉆孔與豎直方向的夾角設計為5°，孔間距設計為10 m，布置如圖1（a）；

② 壓裂鉆孔長度設計為40 m，傾角設計為50°，布置如圖1（b）；

圖1 水力壓裂參數(shù)（m）

③ 采用倒退式壓裂，3 m壓裂一次。

（2）壓裂要求

① 后退式單孔多次壓裂，3 m壓裂一次，根據(jù)現(xiàn)場結果實時調(diào)整。

② 壓裂時間設計為30 min，根據(jù)水壓變化實時調(diào)整。

③ 鉆孔施工、壓裂作業(yè)間距不小于30 m。

（3）壓裂參數(shù)

根據(jù)18103工作面頂板巖層確定壓裂參數(shù)，高壓水壓力設計為62 MPa，流量設計為80 L/min。

3 卸壓效果分析

在18103輔運順槽里程牌為1230～930 m側的膠運順槽進行現(xiàn)場試驗，監(jiān)測了壓裂段和不壓裂段的煤柱應力情況。

（1）未卸壓段煤柱應力分析

在1250 m附近安裝煤柱應力監(jiān)測儀器，根據(jù)監(jiān)測結果，未卸壓段煤柱應力分布特征如下：

① 1250 m處鉆孔應力計安裝時，工作面已推進到1220 m處，應力計未能監(jiān)測超前工作面煤柱受力變化過程，初始監(jiān)測位置為滯后工作面30 m處。

② 煤柱內(nèi)鉆孔深度15 m（距離采空區(qū)9.5 m）和18 m（距離采空區(qū)6.5 m）處應力計受力基本沒有變化，說明在滯后工作面30 m時，此處應力已超過煤體的極限強度，應力已轉移到距離采空區(qū)更遠的位置。

③ 煤柱內(nèi)鉆孔深度6 m（距離采空區(qū)18.5 m）、9 m（距離采空區(qū)15.5 m）和12 m（距離采空區(qū)12.5 m）處應力先有稍微地增加，然后出現(xiàn)明顯的降低，說明此范圍煤體也逐步進入塑性區(qū)，煤體發(fā)生了破壞。

④ 煤柱內(nèi)鉆孔深度3 m處，煤體應力逐漸降低，此范圍對巷道圍巖穩(wěn)定性影響很大，說明安裝應力計后，煤體承載力一直降低，煤體裂隙逐步發(fā)育，完整性受到一定程度的破壞。

由于受到安裝時機的限制，未壓裂段煤柱應力計沒能監(jiān)測煤柱受力的完整變化過程，但是通過應力的變化可知，煤柱內(nèi)應力最終都有所降低，說明未壓裂段煤柱煤體均已進入塑性區(qū)。

（2）卸壓段煤柱應力分析

在1100 m安裝煤柱應力監(jiān)測儀器，根據(jù)監(jiān)測結果，卸壓段煤柱應力分布特征如下：

① 進行水力壓裂的區(qū)域，鉆孔深度3 m處，煤體受力變化較大，其受力先增加，然后應力出現(xiàn)降低，并且受力波動較大。應力計值最大達到23 MPa左右，應力增加量達到15 MPa左右。由于后期應力出現(xiàn)較明顯的降低，說明此范圍煤體已進入塑性區(qū)。

② 鉆孔深度6～18 m范圍內(nèi)煤柱應力在超前工作面60 m處開始出現(xiàn)緩慢增加，滯后工作面在300 m時，煤體內(nèi)應力處于較穩(wěn)定狀態(tài)，并且鉆孔應力計值沒有出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，說明煤柱十分穩(wěn)定。18103工作面回采后，煤體仍具有較強的承載力，煤體沒有進入塑性區(qū)。

煤柱內(nèi)最終的應力分布曲線如圖2所示。由曲線可知，水力壓裂后煤柱存在明顯的彈性核區(qū)，18103輔運順槽圍巖環(huán)境得到明顯改善。

4 結論

為削弱采動應力對18103工作面輔運順槽穩(wěn)定性的影響，在工作面膠運順槽采用水力壓裂技術對頂板卸壓，設計了動壓巷道頂板水力壓裂卸壓技術與參數(shù)，并進行了現(xiàn)場試驗。煤柱應力監(jiān)測結果顯示，未壓裂段煤柱煤體處于塑性區(qū)，而壓裂段煤柱存在明顯的彈性核區(qū)，具有較高的承載力，18103輔運順槽圍巖環(huán)境得到明顯改善。