沿空掘巷水力壓裂技術護巷研究

王冬陽

（冀中能源 邢礦集團，河北 邢臺 054000）

0 引 言

沿空掘巷不但能夠增加煤礦資源的回收率，還能在巷道的應力分布以及維護條件等方面優于設置寬煤柱，被廣泛運用于煤礦。為減少相鄰工作面采掘活動給沿空掘巷帶來的擾動影響，一般在相鄰工作面動壓穩定后進行沿空掘巷作業。如果為單翼采區，且同時受采掘接替緊張影響，在相鄰工作面回采完成后或者還未結束就直接開始下一個工作面的掘進，這時就需留一定寬度的區段煤柱，控制它對掘進的干擾，這樣不但影響煤礦的回收率，也給巷道維護增加了難度。在不穩定采空區邊部進行沿空留巷掘進主要受到了上一個區間工作面回采產生的動壓影響，巷道同時會遇到頂板巖石開裂、下沉等，給巷道維護帶來壓力。目前這種單翼開采的采區，采掘矛盾日益凸顯。對此利用水力壓裂切頂技術來研究相鄰工作面回采完成后，就直接開始下一個工作面的掘進。

1 概 況

冀中能源股份公司東龐礦西龐井位于河北省內丘縣境內，目前僅開采9號煤，采用立井單水平開拓。西龐井9119工作面位于北翼擴延區一采區，該工作面煤層結構復雜，沉積穩定，一般含多層夾矸。92煤厚度為2.15～2.44 m，平均為2.33 m，92煤與93煤夾矸為炭質泥巖，厚度在0.68 m左右，93煤厚度為2.55～3.10 m，平均為2.83 m，含一層厚度為0.05 m左右的泥巖夾矸。老頂為大青灰巖，平均厚度5.01 m，相鄰頂板為活動尚未穩定的9118采空區，工作面走向長度883 m，傾斜長度90 m，9119皮帶巷與9118軌道巷煤柱6 m左右。

9119綜放工作面所有巷道均采用錨梁網加錨索聯合支護形式，9119皮帶巷設計規格為上寬×下寬×中高＝4.2 m×4.5 m×2.9 m，巷道頂部采用自制六眼梯型梁、L2 400 mm，φ22 mm螺紋鋼錨桿配鐵托盤、鐵絲網支護，梯型梁排距為850 mm，錨桿間距780 mm。巷道幫部使用4～5根φ16 mm、L1 800 mm反麻花頭鐵錨桿（高度超過3 m時使用5根），分別配鐵托盤、梯型梁、金屬網支護，錨桿間距900 mm，排距850 mm；頂部采用雙排錨索平行布置以加強支護，兩排錨索布置于巷道中心線兩側各900 mm處，錨索間距2 000 mm。頂錨桿每孔裝配CK2335和K2360型錨固劑各1卷，加長錨固；幫錨桿每孔配1卷K2360型錨固劑，端頭錨固；錨索使用4卷錨固劑：1卷CK2335和3卷K2360樹脂藥卷，裝藥卷時超快速錨固劑要裝在孔底。

受9119工作面超前動壓及9118工作面采空區應力疊加影響，9119皮帶巷出現了較嚴重的圍巖變形。為保證9119皮帶巷穩定，減少巷道維護工作量，對9119皮帶巷超前工作面已實施頂板定向水力壓裂卸壓前期試驗，取得了很好的效果。

2 水力壓裂切頂護巷技術

2.1 主要工序

水力壓裂包括鉆孔、封孔、高壓水壓裂、保壓注水、壓裂監測等主要工序。按設計施工鉆孔，然后由中心管和封隔器膠筒組成水路通道，利用高壓泵向中心管注入高壓水，通向壓裂段，通過水的高壓壓裂巖孔，用水壓致裂數據采集儀實時監控壓裂過程，記錄流量和壓力變化曲線，預裂縫起裂后水壓會有所下降，繼而注水達到保壓階段，在這個階段，裂紋擴展的同時伴隨著新裂紋的產生，利用流量計監測流量及注入的水量，保證頂板巖層充分弱化和軟化，實現切頂護巷。

西龐井9119工作面皮帶巷鉆孔布置雙排，第1組鉆孔布置在上幫頂角，鉆孔深度為45 m，孔間距為15 m，鉆孔仰角為45°，鉆孔水平投影與巷道夾角為70°。第2組鉆孔布置在巷頂中間位置，鉆孔深度為45 m，孔間距15 m，鉆孔仰角為40°，鉆孔水平投影與巷道夾角0。第1組和第2組鉆孔交錯布置，預計施工壓裂孔32個。鉆孔水壓裂位置以8號煤以上的粉砂巖和大青灰巖層為主，壓裂巖層厚度約為16 m，每孔壓裂間隔3 m左右，每孔自孔底向外壓裂至孔深10 m處，每孔壓裂次數預計10次。9119工作面鉆孔參數見表1。

表1 9119工作面鉆孔參數Table 1 Drilling parameters of No.9119 Face

2.2 壓裂安全措施

鉆孔施工要求鉆孔盡可能平直，避免大幅拐彎導致無法實施壓裂；封孔器分隔段位置為鉆孔預開槽段及巖層完整段；水力壓裂從鉆孔底部向孔口逐次壓裂，即倒退式壓裂法；壓裂過程中，需安排專人檢查壓裂孔周圍頂板，當有大量水從頂板中流出時，停止壓裂；壓裂前需拉警戒線，嚴禁人員從壓裂鉆孔前通過，以防注水管從鉆孔中竄出造成傷人事故；鉆孔人員要攜帶便攜儀，在施工前檢查作業點附近有害氣體濃度，確保安全方可施工；高壓泵處和壓裂作業地點設置信號鈴等通訊設備，用于實時交流。

2.3 實施效果

西龐井9119皮帶巷施工頂板水力壓裂巷道240 m，頂板水力壓裂卸壓施工后，動壓影響范圍內的巷道平均減少擴幫、臥底量約500mm，每米整修需6個工，每工按220元計算，人工費31.68萬元，支護材料費350元/m，材料費8.4萬元，節約巷道整修費用40.08萬元。扣除頂板水力壓裂卸壓施工，節約費用17.29萬元。

3 結 論

（1）隨著煤礦開采強度的提高，動壓巷道的變形速度快、頂幫變形量大等特點日趨顯現。水力壓裂卸壓技術對動壓巷道卸壓有著顯著效果，能夠有效控制沿空留窄煤柱巷道的變形問題，具有較好的經濟效益和社會效益，對周邊及類似條件礦井具有示范意義。

（2）該項技術控頂效果顯著，可有效切斷整體和穩定的頂板巖層，將巷道附近的高應力切斷，降低巷道附近應力，使巷道處于低壓區，壓裂后，巷道變形顯著減小，有效改善了煤柱應力狀態，對于維護動壓巷道穩定性有重要意義。

（3）實施水力壓裂卸壓技術后，巷道頂板壓力大幅降低，減小了礦井巷道的返修率和減少擴幫臥底對底板帶來的透水、突水的危害，還可以降低材料消耗及人工投入，減少了維護工作量。在此技術的基礎上，探索水力壓裂卸壓沿空留巷技術，采取實現無煤柱開采，不留區段護巷煤柱，可增加煤炭回收率，具有較高的推廣價值。