辛置礦2-208 工作面水力壓裂切頂卸壓技術應用研究

康 樂

（山西焦煤霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031400）

0 前言

在煤炭資源開采過程中，眾多難題困擾著煤炭資源的開采，其中堅硬頂板帶來的高應力、強動壓顯現成為煤礦企業不可避免地一類嚴重制約煤礦安全高效開采的現實問題。堅硬頂板不易破斷垮落特性使巷道圍巖處于高應力環境中，高應力通過頂板的傳遞作用于煤壁上，造成巷道幫部圍巖變形加劇，制約煤礦安全生產。故而，堅硬頂板治理成為煤礦安全生產的主抓方向之一[1-2]。目前針對堅硬頂板的治理方案均為切頂卸壓，切頂的措施可以為爆破切頂[3]、靜力切頂、水力切頂，此前大多學者的研究主要集中在爆破切頂方向，對于水力切頂方案對的研究較少，因此本文對水力壓裂切頂卸壓進行研究，利用現場試驗對水力切頂卸壓的可行性進行分析，為礦井堅硬頂板的治理提供一定的參考與借鑒。

1 礦井概況

辛置礦地表位于山西臨汾橋西村西北1 000 m，上跑蹄村以南570 m，焦家垣東北1 800 m；地表多為荒地，北部地貌為溝壑，中部、南部均較平坦，井田面積59.08 km2,設計生產能力120 萬t/a，2-208 工作面主采2 號煤，煤層為黑色，條痕褐黑色，金剛光澤，中—寬條帶狀結構，斷口參差狀、階梯狀，內生裂隙發育，層狀構造。2 號煤層普氏硬度為1.4，傾角0°～3°，煤層平均厚度為3.6 m，巷道支護材料選型如表1 所示。

表1 支護材料規格表

2 水力壓裂技術及應用分析

2107 工作面回風巷頂板巖層較為堅硬，形成大面積的懸頂，巷道圍巖變形控制難度較大，為減小懸臂梁長度，削弱覆巖應力傳遞，利用水力壓裂對其進行切頂卸壓，工作面布置及水力壓裂位置如圖2 所示。

圖1 工作面布置及水力壓裂位置圖

圖2 水力壓裂示意圖

2.1 水力壓裂施工

水力壓裂切頂卸壓主要是通過水力能量的聚集對頂板進行預裂及弱化，使得頂板的尺寸有所降低，此時有效切斷頂板應力的傳遞，減小巷道圍巖的受力。同時，水力壓裂切頂切斷了應力傳遞途徑，采空區頂板在聚集的高應力作用下按照切頂線及時垮落，將高應力“甩”在采空區內，有效阻止了采空區頂板在高應力和水平應力的聯合作用下發生回轉下沉，進一步降低了頂板覆巖活動對工作面巷道圍巖的影響。此外，切落的頂板“甩”掉了高應力，減小了采空區頂板垮落帶來的周期來壓強度，有效的保證了巷道圍巖的穩定性。

辛置礦為了驗證水力壓裂切頂卸壓技術的可行性，在進風巷進行工業化驗證。本次試驗設計長度為300 m 的水力壓裂段長度，在工作面進風巷道采用鉆機打孔單排布置，試驗巷道長度布置300 m。具體施工工序：首先對巷道頂板進行打孔，采用鉆孔窺視儀觀測頂板裂隙發育情況→結合頂板裂隙發育情況，確定水力壓力基本參數→現場進行布置水力壓力鉆孔進行施工→水力壓力試驗實施過程→水力壓力效果監測。煤柱側鉆孔采用鉆機打孔，設計鉆孔直徑為56 mm，鉆孔布置方向與巷道走向呈5°夾角，每個鉆孔的間距為10 m，鉆孔打設長度為41.5 m，在打設過程中每鉆進1.5 m 實施一次水力壓力，并實時觀測頂板裂隙擴展及頂板變形特征，出現異常停止施工。在進風巷采用雙側孔布置長度200 m。施工順序與單側孔相同，鉆孔直徑設定為56 mm，與巷道軸線方向成45°夾角，孔間距設定為10 m，每2 m 壓裂一次。

完成鉆孔布置后進行水力壓裂施工，水力壓裂施工可分為三個部分，分別為封孔、注入高壓水、持續注壓保水。水力壓裂示意圖如2 所示。

本次井下鉆孔施工作業期為64 d，在期限內完成全部的鉆孔打設及水力壓力實施，不涉及壓裂前的準備工作時間。在工作面進風巷1 240～1 040 m 范圍內布置200 m 的單排孔；在工作面進風巷1 040～840 m的范圍內布置200 m 的雙排孔200 m；在工作面進風巷840～740 m 范圍內布置100 m 單排孔。施工總長度為500 m，為了在完全結束壓裂施工后，對壓裂效果進行研究，分別在工作面進風巷的單側孔段設置1 號測站、在雙側孔段設置2 號測站，在單排孔末端設置3 號測站，共計布置3 組測站。

壓裂現場采用單孔多次后退式壓裂，設定每隔2～3 m 進行一次壓裂，單個孔壓裂次數約為10～13次，當壓裂至距孔口13 m 的位置停止壓裂。具體的水力壓裂流程為連接封孔器→鉆孔接注水管→通高壓水泵→進行封孔加壓→注水壓裂→相鄰孔出水或注液30 min 停泵→泄壓→開始第二段壓裂→循環壓裂。

2.2 壓裂效果分析

對回采期間的三個測站位置處巷道表面位移量進行監測，繪制巷道頂底板及兩幫位移量隨回采工作面距離變化曲線如圖3 所示。

圖3 巷道圍巖變形曲線

由圖3 可以看出，在工作面回采期間，1 號測站位置處巷道底板變形量最大為144 mm，而巷道頂板下沉量為52 mm，巷道左幫移近量和右幫移近量分別為72 mm、2 mm，兩幫移近量為87 mm。由此說明，巷道布置單排孔進行水力壓裂后，頂板壓力得到有效控制，圍巖整體變形幅度不大，同時，由于巷道右幫為混凝土強，硬度較大不易發生形變，變形量幾乎可以忽略，能夠滿足正常回采需要；觀察2 號測站回采期間巷道圍巖的變形量可以看出，頂板下沉量為43 mm，底鼓量為107 mm，巷道兩幫的移近量為71 mm，采用雙排孔壓裂時，壓裂效果明顯優于單排孔，巷道頂板裂隙進一步發育，高應力卸載效果更為徹底，此時巷道圍巖變形量比前者有了明顯的收斂；觀察3 號測站回采期間巷道變形量，可以看出此時頂板下沉量為66 mm，底鼓量為168 mm，兩幫移近量為104 mm，可以看出3 號礦壓測站整體變形量仍然不大，雖然較1號和2 號測站變形略有增加。但仍處于可控狀態，所以水力壓裂達到了預期的效果，方案可行。

3 結語

基于辛置礦實際地質情況，對水力壓裂切頂卸壓技術進行研究，首先對切頂卸壓機理進行分析，給出了水力壓裂過程施工具體步驟，通過對鉆孔布置，試驗段等分析，設計了水力壓裂切頂卸壓具體的施工方案，同時為了對切頂卸壓效果進行分析，設定3 個監測站，對巷道圍巖變形進行監測，通過對測站監測數據進行分析發現，巷道圍巖變形量均處于可控范圍內，水力壓裂切頂方案可行。