水力压裂切顶卸压技术研究

原明帅

(山西汾河焦煤股份有限公司 三交河煤矿，山西 洪洞 041600)

三交河煤矿位于霍西煤田西南部，是霍州煤电集团的主力生产矿井，主采煤层有2#、10#和11#煤，10#煤是该矿的重点开采煤层。根据目前矿井10#煤层已正常回采的2个工作面的现场施工情况看，主要存在两个问题：1) 10#煤层在回采期间，回采工作面上、下隅角垮落不及时造成悬顶面积过大。2) 邻近工作面在掘进期间受采空区动压影响较大造成巷道变形、顶板下沉有裂隙、局部片帮等现象，采用锚杆联合锚索的支护方式不能有效控制顶板。因此，采用水力压裂切顶卸压技术对该矿10-2011巷上方顶板进行切顶卸压，以解决10-201工作面上、下隅角悬顶面积过大及邻近10-2032巷掘进期间的支护难题。

1 10-201工作面基本情况

1.1 工作面布置

10-201工作面走向长为1 589 m，2017年6月开始回采，设计的相邻工作面为203和205工作面。10-2011巷与10-2032巷之间留设保护煤柱30 m，10-2032巷于2017年11月开始掘进，并于2017年 8月在10-2011巷1 300 m处开展水力压裂技术对顶板进行定向压裂，降低邻近10-2032巷的支护难度。10-201及邻近工作面布置图见图1.

1.2 地质力学测试参数

对10-2011巷进行了两个测站围岩地质力学测试，第一测站的最大水平主应力为8.58 MPa，最小水平主应力为4.45 MPa，垂直应力为6.66 MPa；第二测站的最大水平主应力为7.86 MPa，最小水平主应力为4.29 MPa，垂直应力为6.57 MPa.

1.3 支护方式

1) 10-2011巷支护方式。

净断面为宽3.8 m×高2.5 m，顶板采用锚网梁、锚索、钢板联合支护，锚杆“五·五”布置，间排距900 mm×1 000 mm，肩角锚杆距帮200 mm；锚索“二·一·二”布置于顶板正中，间排距1 800 mm×3 000 mm；帮部采用锚网梁支护方式，锚杆“二·二”布置，间排距1 200 mm×1 200 mm，最上一根锚杆距顶200 mm,巷内布置有皮带。

图1 10-201及邻近工作面布置图

2) 10-2032巷支护方式。

净断面为宽4.0 m×高2.9 m，顶板采用锚网、钢带、锚索联合支护，顶锚索“四·四”布置，其中“一·四”施工短锚索d21.6 mm×5 200 mm，“二·三”施工长锚索d21.6 mm×8 200 mm，第一、二根间距为1 125 mm，第二、三根间距为1 350 mm，第三、四根间距为1 125 mm，排距为1 000 mm，肩角锚索距帮部300 mm；帮锚杆“三·三”布置，全部上钢护板，间排距800 mm×1 000 mm，第一根帮锚距顶板300 mm，底脚锚杆距底板1 100 mm.

2 水力压裂技术

2.1 动力来源

10-201工作面回采后，采空区上方岩层重量将开始向四周支承区进行转移，并在其周围形成支承压力带。受采动影响，沿10-201工作面推进方向，回采空间两侧煤柱的应力与工作面的距离不同，其影响程度也不同。远离工作面的前方是未受采动影响的原始应力区；在工作面附近为受采动影响的应力增高区；远离工作面的后方，采动影响趋向稳定。因此，在10-201工作面回采期间，10-2011巷及10-2011巷与10-2032巷之间的保护煤柱上方往往赋存着较大的支承压力，载荷的急剧增长使10-2032巷容易出现变形、巷道片帮、底鼓以及顶板出现裂隙等压力显现现象。

2.2 卸压技术

受10-201工作面采动影响，10-2011巷及其保护煤柱赋存的支承压力是10-201工作面及邻近巷道产生动压的主要原因。水力压裂技术通过在钻孔压裂段预制裂缝，控制水力压裂裂纹扩展方向使10-201工作面顶板岩层定向压裂，破坏顶板岩层的完整性，削弱顶板的强度和整体性：1) 可以使采空区顶板能够分层分次、及时垮落，且能够缩短初次来压和周期来压步距。2) 可以将10-2011巷附近的高应力削弱或转移，降低应力的集中程度，使10-2032巷处于低压区。

2.3 水力压裂优点

1) 水力压裂控制10-201工作面坚硬难垮顶板是在井下进行切顶卸压，该技术能够适应井下作业空间狭小的条件。

2) 10-201工作面推进速度较快，而水力压裂切顶卸压技术能够快速实施，确保顶板及时垮落。

3) 水力压裂切顶卸压技术不会对10-201工作面的回采工艺产生干扰。

4) 与其他控顶技术相比，水力压裂切顶卸压技术安全性好，且施工钻孔数量少，作业速度相对较快。

水力压裂技术具有能够定向切割顶板岩层，削弱岩层的整体性和稳定性，削弱煤岩体承载的高应力，使巷道或工作面处于低应力区域的特点。且该技术安全性高、工程量小、适应性强。因此，三交河煤矿采用水力压裂技术对10-2011巷顶板进行卸压。

3 现场工业性试验

3.1 施工设计

为避免影响10-201工作面正常生产，试验位置应超前工作面80～120 m. 压裂钻孔布置于10-2011巷行人侧，采用ZDY650钻机配合钻头d56 mm、钻杆d42 mm、长1.5 m的钻杆进行施工。钻孔间距为7 m，钻孔长度为28～34 m，平均30 m，仰角为50°，钻孔与煤柱夹角为0°.

采用后退式单孔多次压裂，每隔2 m压裂一次，压裂到距孔口12 m处停止压裂。压裂时间30 min，根据水压变化和岩层出水情况调整，钻孔施工和钻孔压裂平行作业，间距不小于40 m.

3.2 压裂工艺

1) 高压注水泵安装、调试好后连接注水钢管，然后将封孔器送至预定位置。

2) 手动泵给封孔器加压，压力达到12～16 MPa后停止加压，观察钻孔及压力表，保证封孔器工作正常。

3) 作业设备附近区域必须保证支护完好，顶板安全可靠。作业前设置警戒，压裂期间禁止其他人员通行。

4) 高压水泵先通水再通电，慢慢加压并记录水泵、手动泵压力表数据，邻近钻孔出水后，即可停止。

5) 完成单孔多次压裂作业。

3.3 移动钻机方式

钻眼、压裂结束后采用手动葫芦或2T胶轮车将钻机移至下一个眼位进行施工。

4 效果监测

4.1 10-2011巷压裂效果监测

对10-2011巷进行现场试验，共试验144组，压裂次数144次，在1#—144#孔压裂过程中，相邻钻孔均出现出水情况，说明岩层裂隙贯通。

4.2 10-201工作面现场跟踪

在10-201工作面回采期间，对工作面下隅角悬顶情况进行跟踪，通过压裂前后下隅角垮落情况对比可知，经过水力压裂的下隅角悬顶面积明显小于未经过水力压裂的下隅角悬顶面积，10-201工作面下隅角顶板及时垮落，说明通过水力压裂使顶板出现裂隙，破坏了顶板岩层的完整性，该技术对下隅角垮落状态起到了关键作用。

4.3 10-2032巷现场跟踪

在10-2032巷道掘进期间，对巷道的稳定情况进行不间断跟踪。10-2011巷第一个切顶眼位置在距离10-2032巷开口1 228 m处，10-2032巷在0～1 228 m安装38组顶板离层仪及测力计用于监测顶板压力情况。其中，1#—38#顶板离层仪未发生离层，1#—38#测力计较初安值增大0～50 kN，相对较为稳定，巷道顶板采用锚网索支护能够有效控制顶板。

在10-2032巷1 228～1 500 m顶板出现裂隙、锚索破断等不同程度的压力显现现象。在压力增大区安设的39#顶板离层仪初安时，深、浅基点读数均为0，随着时间变化，深基点读数变为24 mm，浅基点读数变为19 mm. 39#测力计初次安装时，2天内读数由150 kN变为380 kN,达到最大量程。为进一步判断顶板压力显现情况，后期补安测力计，初安值为120 kN,随着时间变化，读数增大为250 kN. 39#顶板离层仪数值变化曲线见图2，39#测力计数值变化曲线见图3.

图2 顶板离层仪数值变化曲线图

图3 测力计数值变化曲线图

现场采用架棚、补打锚索、支设单体柱等方式进行补强支护，但该范围局部棚梁断裂、顶板破碎，后期采用注浆加固的方式增加顶板整体强度和承载能力。

通过对比分析，10-201工作面回采以后，采空区上方岩层重量将向邻近工作面10-2032巷转移，受采空区动压影响，导致1 228～1 500 m段顶板压力变大，顶板破碎后出现离层现象。相反，在0～1 228 m段，由于10-2011巷上方顶板进行切顶卸压，减轻10-201回采面侧向支承压力向另一侧的传递，为10-2032巷掘进创造良好的应力环境。

根据10-2032巷掘进期间的顶板受力对比，10-2011巷切顶卸压技术能够减轻回采期间向10-2032巷的压力传递，降低了10-2032巷的支护难度。

5 结 论

1) 水力压裂切顶卸压技术能够破坏10-201工作面顶板的完整性，使顶板岩层裂隙贯通。

2) 根据10-201工作面切顶前后下隅角悬顶面积对比可知，水力压裂后顶板及时垮落。可见，水力压裂技术对下隅角垮落状态起到了关键作用，能够解决回采工作面上、下隅角的悬顶面积过大的问题。

3) 根据10-2032巷掘进期间的顶板受力对比可知，10-2011巷切顶卸压技术能够减轻10-201工作面回采期间向10-2032巷的压力传递，降低了10-2032巷的支护难度。

4) 水力压裂技术能够减弱回采工作面采空区压力向侧向传递，为矿井开展小煤柱开采及沿空掘巷积累了经验。