水力壓裂切頂卸壓技術在南莊煤礦應用與實踐

聶 飛

（南莊煤炭集團南莊分公司，山西 陽泉 045000）

1 概況

南莊煤礦8824 工作面（中段）位于15#煤層，平均厚度5.8 m，傾角0°～11°，上部為12#煤采空區。8824 工作面是一個孤島工作面，工作面存在斷層1 條、陷落柱3 個。煤層基本頂為5.38 m 細砂巖，直接頂和直接底板均為泥巖，厚度分別為8.3 m 和9.43 m。

8824 回風巷在服務期間受動壓影響階段可分為三個階段：上區段工作面超前動壓影響階段、上區段工作面滯后動壓影響階段和沿空掘巷階段。

（1）上區段超前采動影響階段：上區段超前采動導致8824回風巷圍巖變形嚴重，應力集中明顯，在巷道掘進期間和服務期間均發生嚴重變形，支護難度極大。

（2）滯后動壓影響階段：8824 回風巷與上區段回采工作面水平方向重疊導致上區段工作面頂板垮落不及時，上區段工作面頂板出現破斷不徹底、彎曲下沉，與冒落矸石接觸后存在緩慢位移，該滯后動壓對8824 回風巷的應力分布影響較大。該階段僅靠圍巖淺部支護難以實現對巷道的有效控制，需采取措施從頂板深部改變巷道應力賦存環境。

（3）沿空掘巷階段：上區段回采引起的側向支承應力趨于穩定，而沿空掘巷導致巷道應力重新分布。該階段巷道的支護難度關鍵在于巷道的表面和淺部變形。

2 傳統卸壓方法

2.1 傳統卸壓方法簡述

（1）切縫。主要采取底板切縫方式，切縫深度對卸壓效果有重要影響，切縫深度一般應大于底板寬度的一半。通過切縫的施工實現巷道底板水平應力的切斷，并由淺部向深部轉移，但是隨著底板巖層向切縫空間的移動往往導致兩幫移進量和頂板下沉量增加，導致巷道的整體穩固性受到影響。

（2）鉆孔。鉆孔卸壓如圖1，與巷道開挖的作用原理相似，通過施工大孔徑鉆孔實現應力的重新分布，周圍巖體向孔內移動，產生松動區和塑性區。

圖1 鉆孔卸壓示意圖

（3） 松動爆破。通過在巷道的底板和兩幫施工炮孔，并采用煤礦許用炸藥進行松動爆破，致使形成局部裂隙進行卸壓，達到巷道底幫應力向深部轉移的目的，起到減弱巷道周邊圍巖應力集中、保護圍巖的效果。

2.2 存在的弊端

傳統卸壓方法在南莊煤礦均進行過試驗應用，應用效果表明上述方法的實施在一定程度上能夠起到改變圍巖應力分布狀態、緩解動壓顯現的效果，并且能夠實現巷道或者工作面周邊的高應力區的轉移釋放，但存在工程工作量大、施工成本高、卸壓效果不顯著等問題。切縫或打孔方式的弱化效果較差，尤其是在堅硬頂板卸壓方面作用不明顯；松動爆破方式的安全性較低，并且爆破效果難以控制。鑒于以上原因，上述三個傳統卸壓方法并未在南莊煤礦全面推廣應用。通過綜合分析，研究運用了水力壓裂切頂卸壓技術。

3 水力壓裂切頂卸壓技術

3.1 水力壓裂切頂卸壓作用原理

采用水力壓裂切頂卸壓技術[1-5]對堅硬頂板水力分段多次壓裂和注水軟化，其作用主要體現在兩個方面：（1）壓裂卸壓作用。通過對鉆孔高壓注水并封孔，導致壓裂裂縫的擴展延伸，破壞頂板的整體穩固性，削弱上覆巖層儲存的高應力，減小煤柱應力集中效應，實現懸臂區頂板的按期有序垮落；（2）注水軟化作用。注水頂板在持續的高壓水的作用下，頂板巖石持續吸水弱化，強度降低，有利于頂板的及時垮落卸壓。

3.2 水力壓裂控頂技術優勢

與傳統卸壓技術相比，水力壓裂控頂技術具有安全性高、鉆孔數量少的優勢，作業效率較高；并且水力壓裂控頂技術能夠在不對正常的回采工藝產生干擾的前提下，實現頂板的快速卸壓，具有實施速度快的特點[6-9]。

4 水力壓裂切頂卸壓技術的應用

4.1 水力壓裂鉆孔設計

4.1.1 設備選型

鉆孔鉆進選用液壓坑道鉆機，鉆頭選用KZ54型切槽鉆頭，鉆頭結構如圖2。該切槽鉆頭外徑為54 mm，施工鉆孔直徑56 mm，切槽直徑為鉆孔直徑的2 倍，能夠適用于硬度系數f=15 的堅硬巖石的橫向切槽。根據頂板巖層強度特征并考慮裂紋擴展過程中的濾失、變向及多裂縫擴展因素，設計采用3ZSB80/62-90 型高壓水泵，注水壓力為80 MPa，流量為80 L/min。

圖2 KZ54 型切槽鉆頭

4.1.2 鉆孔布置參數和注水參數

選擇8824 回風巷布置單排鉆孔6 個，孔距為10 m，孔徑56 mm，孔深50 m（壓裂段長度37 m、非壓裂段13 m），鉆孔角度50°，垂直高度38 m，如圖3 所示。為保證巷道支護架構的穩定性，在鉆孔淺部區域（0～13 m）不進行注水壓裂，為確保壓裂效果在13～50 m 范圍每隔3 m 壓裂一次，單孔實施壓裂13 次，壓裂作用持續時間不小于30 min，注水量80 L/min。

圖3 壓裂鉆孔剖視圖和俯視圖（m）

4.2 施工工藝注意事項

4.2.1 壓裂鉆孔施工注意事項

鉆孔采用鉆頭直徑56 mm 的全液壓礦用地質鉆機，整個鉆孔開槽與打孔過程中需采用高壓水沖洗，保證孔內無巖屑。鉆孔鉆進過程中須注意控制鉆進速度和鉆機壓力，保證鉆孔的光滑、平直。

4.2.2 封孔注水壓裂注意事項

封孔注水壓裂過程主要包括封孔工藝和高壓注水工藝。

（1）封孔工藝。封孔過程：連接安裝封孔器后，需進行打壓試驗，打壓手動泵至10 MPa，觀察封孔器能否保壓；若封孔器壓力明顯下降或者鉆孔中水流快速流出，則須進行重新封孔；手動泵打壓完畢后，須立即關閉兩個截止閥，防止封孔器中的水倒流。

（2）高壓注水工藝。高壓注水壓裂過程：壓裂區域在注水孔40 m 以外設置警戒，鉆孔周邊不得站人，以防止注水管在高壓作用下竄出傷人；高壓水泵注水期間緩慢加壓，并注意觀察水泵壓力；加壓至預裂縫開裂時，采取保壓措施且保壓時間≥30 min，利用水壓的持續作用達到裂紋擴展、軟化頂板的目的。加壓期間需注意觀察巷道頂板、煤幫，出現滲水或水流冒出則停止壓裂。

4.3 應用效果

為檢驗8824 工作面回風巷水力壓裂切頂卸壓效果，開展了水力壓裂地段和非水力壓裂地段礦壓對比監測。監測結果表明，開展水力壓裂地段的巷道頂底板、兩幫相對移近量較小，說明在8824 工作面回風巷試驗應用的水力壓裂技術能夠起到壓裂、軟化頂板、破壞頂板的整體穩固性的作用，實現傾斜切割懸臂區頂板的按期垮落，有效解決了懸臂區應力集中問題，達到了卸壓目的。

5 結論

水力壓裂技術在南莊煤礦8824 工作面回風巷應用表明，利用高壓水形成壓裂裂縫并在保壓作用下持續擴展，對煤層懸臂區形成有效的壓裂和軟化作用，破壞頂板的整體穩固性，能夠實現懸臂區頂板的按期有序垮落。