高瓦斯礦井動壓巷道水力切頂卸壓技術研究

趙艷軍

（山西晉能控股煤業集團沁秀公司岳城煤礦，山西 晉城 048006）

切頂卸壓技術是近年來煤礦井下新興技術之一。該技術能夠有效解決采空區留巷頂板支護及上隅角瓦斯積聚問題，大幅提高資源回采率。但對于高瓦斯礦井動壓巷道，由于臨近工作面的采動影響、采空區瓦斯等因素，無法采用放炮爆破方法處理工作面上隅角懸頂。水力壓裂技術切頂卸壓[1-3]具有操作簡單、安全、擴散范圍廣、效果明顯等優點，可以有效壓裂巷道煤柱深部圍巖，從而將支承壓力消除或者轉移，從而使巷道處于低地應力區，降低巷道支護難度，保證礦井安全生產。

1 概況

岳城礦Ⅲ2312 綜采工作面位于西翼盤區，煤層厚度3.22 m，平均傾角4°，走向長1 214.9 m，傾斜長220.7 m。工作面東為一盤區（工作面已全部回采結束），西部為夏河移民新村，北為Ⅲ2302工作面，南為侯村煤礦采空區。工作面水文地質條件中等，回采前對K8、K10 含水層水進行疏放。目前工作面巷道頂板明顯下沉，底鼓現象明顯，部分錨桿錨索已失效。根據工作面地質構造情況及現場實際情況，擬選擇在Ⅲ23122 巷17#～20#橫川320 m 處進行切頂卸壓。Ⅲ2312 工作面巷道布置如圖1。

圖1 岳城礦2312 工作面巷道布置圖

2 方案設計

2.1 頂板條件良好時水力壓裂設計方案

根據通風部提供的資料， 設計在Ⅲ23121/Ⅲ23123 巷5#、8#、11#、15#、19#聯絡橫川內和南翼膠帶巷向Ⅲ2312 工作面施工采空區定向高位鉆孔。考慮到19#橫川打設的高位鉆孔影響水力壓裂效果，采取先壓裂后打鉆方式進行施工。壓裂鉆孔采取雙側布置的方式，如圖2。

圖2 2312 工作面水力壓裂鉆孔布置平面圖（m）

如圖2，在巷道行人側施工兩排鉆孔，孔間距5 m，深淺孔交錯布置。煤柱側鉆孔（淺孔）布置在頂幫連接處開孔，鉆孔直徑56 mm，鉆孔深度為16 m，垂直煤幫，仰角角度為70°，孔間距10 m；皮帶側鉆孔在頂板開孔，開孔位置距煤柱側巷幫1～2 m，孔間距為10 m。

2.2 頂板條件較差時水力壓裂設計方案

Ⅲ23121 巷水力壓裂試驗段出現部分頂板巖層條件比較破碎、頂板下沉段。在Ⅲ2312 工作面回采過程中，此段巷道工作面超前壓力影響比較大，Ⅲ23121 巷出現頂板下沉和兩幫擠出變形大、底鼓嚴重等情況，影響巷道的正常使用。針對此種情況，對水力壓裂設計進行優化，在試驗巷道雙側布置壓裂鉆孔，孔距保持在10 m 左右。

3 施工工藝

3.1 鉆孔開槽施工

本次鉆孔施工采用西安煤科院研發的ZDY-4500L 全液壓坑道鉆機，配套Ф56 mm 專用鉆頭，在巷道頂板完整區域進行開槽。當鉆頭施工位置到達鉆孔預設位置時，減緩鉆進速度，待鉆頭勻速鉆動時，更換開槽鉆頭再進行施工，并對鉆孔反流出的水質進行觀察，判斷開槽質量和進度。開槽完成后，以低轉速將開槽鉆頭勻速撤出，更換為普通鉆頭后繼續施工。當施工到下一個開槽孔時再更換開槽鉆頭，并按上述工序循環至打鉆結束。此外為保證后續封孔質量，鉆孔施工后要立即用靜壓水對鉆孔進行沖洗，鉆進方向要近似為一條直線。

3.2 鉆孔注水壓裂

鉆孔施工完成后，對鉆孔進行注水壓裂。

（1）根據設計要求，在鉆孔內分別布置封孔管線和壓裂管線，確保管路暢通有效后，先將靜壓水與封孔器進行連接進行試壓排氣，運行正常后再將封孔器與儲能器和手動泵連接，并對管線的密封性進行測試，不合格則對截止閥和密封圈進行及時更換。

（2）打開截止閥，使靜壓水開始流入儲能器，當手動泵壓力表指針逐漸靜止時，記錄此時的壓力值大小即為靜壓水壓力。

（3）將靜壓水截止閥關閉，將打壓手動泵調節至10 MPa 左右，觀察封孔器的監測壓力表是否降低，鉆孔是否有水流出，無明顯現象則說明封孔有效。

（4）打壓完畢，將兩個截止閥關閉，避免孔內水倒流回封孔器。

4 現場實驗

為對比未進行壓裂段、水力壓裂段巷道圍巖變形量，分別在Ⅲ23123 巷未進行壓裂段、水力壓裂段相同條件區域安設巷道位移監測站，共布置兩組測站，其中未壓裂段為1#～2#測站，水力壓裂段為3#～10#測站，監測時間歷時5 個月。具體分析如下：

4.1 未進行壓裂段巷道表面位移監測分析

在23122 巷未進行壓裂段巷道，2 號測站監測結果如圖3，相關數據見表1。

圖3 未進行壓裂段巷道表面位移監測曲線

由表1 可以看出，在未進行壓裂的時候，工作面在回采之后圍巖主要以巷道兩幫收縮為主，平均移近量為554.5 mm，頂底板移近次之，平均移近量為463.5 mm。

表1 43122 巷未壓裂段巷道表面位移統計表

4.2 水力壓裂段巷道表面位移監測分析

在23122 巷水力壓裂段巷道，3 號測站監測結果如圖4，數據對比見表2。

圖4 水力壓裂段巷道表面位移監測曲線

表2 43122 巷水力壓裂段巷道表面位移統計表

由表2 可以看出，工作面水力壓裂段正常回采時，巷道圍巖變化主要表現為兩幫收縮，平均表面位移量為328.33 mm，其次是頂底板圍巖變化，平均表面位移量為155 mm，底鼓量較頂板下沉量變化較大。

5 結論

觀測數據顯示，在進行水力壓裂后，比未壓裂卸壓兩幫移近量降低40.79%，頂底板移近量降低69.80%。說明采用水力壓裂切頂卸壓能夠使留巷巷道整體變形基本得到控制，巷道底鼓量明顯減少，頂板和兩幫煤體基本保持完整，巷道圍巖控制穩定。