官地礦水壓預裂切頂卸壓護巷技術研究與應用

溫千峰

(山西焦煤集團有限責任公司 官地煤礦， 山西 太原 030022)

煤炭開采過程中，采區巷道承擔著整個采區的運輸、行人、回風等任務，一般服務年限較長，當兩翼回采工作面停采后，工作面采動超前應力往往會對采區巷道造成一定影響。當保護煤柱留設不足時，會造成采區巷道礦壓顯現劇烈，發生大變形，從而不得不進行返修，不僅增加了投入成本，也對采區采掘銜接造成較大影響；當保護煤柱留設較大時，又會造成煤炭資源的浪費，因此,及時切斷綜采工作面停采后圍巖應力傳遞，合理優化停采線位置，保護采區巷道正常使用意義重大[1-3].

采區巷道壓力顯現實質上都是由于工作面上部頂板未及時斷裂，導致應力傳遞至采區巷道而引起的。本文以官地礦22613綜采工作面為研究對象，采用理論分析、鉆孔窺視、礦壓實測的研究方法，開展水壓預裂切頂卸壓護巷技術研究與應用，以保證礦井安全生產。

1 工程背景

官地礦22613工作面位于中六采區北配巷西北部，工作面東北部為采空區，與本工作面相距32 m煤柱，兩個工作面停采線距離采區集中軌道巷均為60 m，西南、西北部均為未采區。2#煤層平均厚度2.49 m，其直接頂為泥巖與細粒砂巖互層，平均厚度為5.9 m，基本頂為細粒砂巖，平均厚度為9 m，普氏系數為6～8，柱狀圖見圖1.

圖1 工作面圍巖柱狀圖

與該工作面相鄰工作面停采后，強采動應力造成采區巷道圍巖壓力加大，并且隨著時間的延長，采區巷道出現片幫、底鼓等現象，巷道難以維護，兩幫移近量超過500 mm，頂底板移近量超過300 mm，嚴重影響運輸及安全管理。為減小本工作面對采區軌道巷影響，采用高效水力壓裂頂板技術對該工作面撤架通道頂板進行切頂卸壓。

2 水壓預裂切頂卸壓方案及參數設計

2.1 水壓預裂方案設計

工作面頂板水力壓裂切頂卸壓的控制技術思路是：對煤柱上方的頂板采用水壓預裂切頂技術，切斷由于工作面采動造成的基本頂應力傳遞路徑，因此要求水壓預裂對象為工作面基本頂[4-5].

理想切頂線位置為沿煤柱側垂直頂板切落，但考慮實際井下鉆孔施工可行性，可沿工作面傾向布置鉆孔，見圖2.

2.2 孔位布置及壓裂參數

目前回撤通道已經形成，確定在回撤通道內施工鉆孔并進行水力壓裂。水壓預裂鉆孔平面布置圖見圖3，剖面布置圖見圖4.

圖2 水力壓裂切頂卸壓原理圖

圖3 水壓預裂鉆孔布置平面圖

每隔13 m布置一組鉆孔，每組鉆孔包括兩個，分別為孔A、孔B.

鉆孔A貼煤柱幫施工，由于副幫標高較正幫要高，為便于施工，鉆孔A由副幫朝向正幫方向施工。鉆孔A開孔位置距離煤幫300～500 mm，偏向煤柱的方位角為10°，仰角為45°，鉆孔長度30 m；鉆孔B垂直煤幫斜向煤柱頂板施工，仰角45°，鉆孔長度為30 m.

鉆孔A、B直徑均為360 mm，從孔頂部開始，每后退5 m壓裂一次，直至壓裂至距離孔口3～4 m位置，每個孔共計壓裂5段，每段的壓裂時間控制在25～30 min.

3 水壓預裂切頂卸壓技術效果分析

3.1 壓裂水壓分析

對17組施工孔共59段壓裂段壓力進行匯總分析，見圖5.

圖4 水壓預裂鉆孔布置剖面圖

圖5 工作面水力壓裂水壓統計分析圖

從圖5可以看出：

1) 水力壓裂頂板的水壓基本在30 MPa，最高可達42 MPa，最低為18 MPa，變化趨勢整體呈從機頭到機尾逐步降低的趨勢。壓裂時鉆孔每段壓裂水壓整體呈逐步下降趨勢，部分鉆孔不符合此現象是由于頂板巖層賦存狀況復雜的影響。壓裂過程中，水壓基本穩定在記錄值左右，部分時間水泵表盤壓力發生變化是因為水壓裂縫此刻出現了較大范圍的擴展，高壓水來不及補充，從而反饋出一定的壓力降，但由于泵的排量較大，水壓裂縫雖然在擴展，但新裂縫產生后會很快被高壓水填充，所以水泵表盤壓力基本維持在一個固定數值。

2) 分析同一壓裂段不同位置水壓規律，整體表現為前半部高，后半部低特征，7#架1段壓裂處水壓可達42 MPa，而139#架1段壓裂處水壓僅有18 MPa. 分析原因：副巷受到相鄰22612工作面采空區應力影響，塑性破壞區較大，底部孔壁圍巖已發生一定的塑性破壞，造成在壓裂過程中水壓值不能達到較高水平。

3) 同一壓裂段不同位置水壓規律整體表現為有規律性的震蕩曲線，兩個較高壓力的預裂孔中間總是存在一個壓力較低的預裂孔，這是由于相臨孔內高壓水力預裂本孔后裂隙延伸至本孔，導致本孔在預裂前孔壁已形成一定裂隙，壓裂時無法達到高壓，下一組相臨孔孔壁不受破壞，又可以在壓裂時達到較高壓力。以此類推，形成震蕩曲線，即表明，相鄰兩個鉆孔之間已形成貫穿裂隙。

3.2 鉆孔窺視分析

對132#鉆孔壓裂前后進行鉆孔窺視，見圖6. 從圖6可觀察到壓裂前后孔壁圍巖變化情況，壓裂前孔壁光滑，完整度高。壓裂后，在18 m、20.5 m、23 m這3段均形成沿孔壁走向裂隙，特別是16～22 m段，受高壓水沖擊，形成明顯的軸向劈裂縫隙，貫穿形成約2 m長的對稱貫通裂隙，壓裂效果非常好。

圖6 132#架壓裂前后鉆孔窺視結果圖

對99#鉆孔壓裂前后進行鉆孔窺視，見圖7. 從圖7可觀察到，所壓4段均出現連續走向裂隙，且孔深20 m以內較為明顯，壓裂效果良好。

綜上分析可得出結論：鉆孔深部圍巖較穩定，壓裂后形成的裂隙較少，隨深度減少，裂隙形成逐漸明顯，與壓裂水壓分析結果一致。因此采用此技術的關鍵在于深部壓裂，即壓裂第1段至第3段一定要有足夠的水壓，整個鉆孔壓裂才會取得良好效果。

圖7 99#架壓裂后鉆孔窺視結果圖

3.3 施工期間現場反饋

在本工作面回撤通道切頂卸壓過程中，壓裂過程中多次出現相鄰鉆孔、錨桿及錨索淋水現象，說明鉆孔水壓力已使頂板形成裂隙并與相鄰鉆孔、周圍錨桿錨索貫通，同時在工作面端頭壓裂時可以聽到10～50次明顯的頂板斷裂聲，在工作面中部頂板斷裂聲逐步減少為5～10次，說明水力壓裂已使頂板斷裂，端頭頂板巖性較軟且內部應力大，斷裂聲較多，工作面中部頂板巖層較硬且比較完整，斷裂聲相對較少。

4 圍巖變形觀測

在該工作面拆架前于中六區軌道巷影響范圍內布置測點3個，拆架整周期內采用十字收斂法對巷道圍巖變形進行連續觀測，結果見圖8.

從圖8可以得出：

1) 在相鄰工作面停采后(未切頂)，采區巷道頂底板變形量最大達到210 mm，兩幫變形量最大達到580 mm，在本工作面(水壓預裂切頂后)采區巷道頂底板變形量最大為105 mm，降低了50%，兩幫變形量最大為210 mm，降低了63.8%.

2) 切頂后，采區巷道變形較為平緩，未出現突然來壓沉降現象，采區巷道能夠滿足正常生產的需求。

圖8 本工作面與相鄰工作面采區巷道變形圖

5 結 論

1) 官地礦22613工作面回撤通道應用水壓預裂切頂卸壓技術，選取了合理設計施工參數，分析了鉆孔內壓裂水壓規律及壓裂前后鉆孔裂隙發育情況。

2) 通過圍巖變形觀測結果，在工作面回撤通道采用水壓預裂切頂卸壓技術后，采區巷道頂底板變形量及兩幫變形量分別降低了50%、63.8%，表明該技術使用效果良好。