临空巷道煤柱高压水力“割-压”断顶卸压技术研究

宁建国杨尚王俊纪润清张晓东王志刚

（1山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 2大同煤矿集团有限责任公司技术中心山西大同037003 3大同煤矿集团有限责任公司晋华宫煤矿山西大同037003）

0 引言

晋华宫煤矿主采12-2#煤层，煤层赋存稳定，结构简单，但是顶板较为坚硬，多为中砂岩、粉砂岩。12-2#煤层402盘区8214工作面2214巷沿空侧留有6 m～20 m煤柱，在开采过程中，由于顶板较为坚硬，工作面侧向顶板难以垮落，形成一定长度的悬臂梁结构，上覆顶板压力逐渐向2214巷煤柱帮转移，煤柱承受较大载荷，巷道煤柱帮破碎严重，出现片帮网兜现象，鼓帮较严重。为解决以上问题，晋华宫煤矿采用定向爆破方式处理侧向悬顶问题，以此降低小煤柱承受载荷[1-5]。但定向爆破不仅存在钻孔施工量大、效率低，而且很可能引燃采空区有害气体，给煤矿的安全、高效开采产生一定的隐患[6]。为此，针对8214工作面坚硬侧向悬顶问题本文提出了临空巷道煤柱高压水力“割-压”破裂断顶卸压技术，以期解决坚硬侧向悬顶问题和临空巷道围岩控制难题，为坚硬顶板工作面安全开采及相关灾害防治等提供科学依据。

1 工程概况

晋华宫12-2#煤层402盘区8214工作面煤层赋存稳定，结构简单，煤层倾角平均为11°，厚度平均为6.2 m，面长1 104 m，宽137 m，平均埋深310 m。南至402辅运大巷，西部为8214回采工作面采空区，北部为8212回采工作面采空区，东部为870大巷。8214工作面采用双巷布置，2214巷（运输顺槽）走向长度1 104.5 m，5214巷（回风顺槽）走向长1 104.5 m，如图1所示。8214工作面顶底板岩层情况如表1所示。

图1 8214工作面位置关系

表1 8214工作面顶底板情况

2 临空巷道煤柱断顶卸压理论

对于晋华宫煤矿而言，8214工作面采用临空煤柱护巷技术，顶板岩层为坚硬岩层，坚硬顶板难以垮落。坚硬悬顶自身的重量及上方的岩层传递下来的载荷作用在煤柱上方，引起煤柱上方支承压力大幅提高，煤柱内产生较大的应力场，煤柱完整性变弱出现片帮现象，如图2（a）所示。

图2 临空巷道煤柱断顶前后受力示意图

为解决8214工作面坚硬侧向悬顶问题，采用临空巷道煤柱高压水力“割-压”破裂断顶卸压技术，如图2（b）～（c）所示。利用水力割缝预先在岩体中按预设裂缝方向扩展进行割缝，形成有序、一致的缝槽布置形态，实现对岩体局部应力的重新分布改造；其次该技术在缝槽位置进行水力压裂时，缝槽能够诱导裂缝沿预设或者工程要求方向扩展，达到定向的目的。

采用高压水力割缝-压裂断顶后，坚硬悬顶及上覆岩层垮落，作用在煤柱上方的载荷降低，支承压力整体降低，煤柱应力环境得到改善，煤柱完整性较好，临空巷道应力水平整体降低，煤柱侧片帮现象基本消除，如图2（d）所示。

3 临空巷道煤柱断顶卸压技术现场实施

3.1 临空巷道煤柱断顶卸压实施方案

根据8214工作面现场地质以及生产情况，选择在8214工作面2214巷720 m～690 m区域内煤柱侧实施高压水力“割-压”破裂断顶卸压技术。在实施区域共布置6个割缝-压裂钻孔，钻孔间距为6 m，钻孔开口处位于巷道肩角附近，钻孔深度为12.5 m，钻孔角度61°，钻孔直径85 mm，单钻孔布置2个缝槽，缝槽间距为4 m，其中深缝槽位于11.0 m处，与煤柱侧巷帮水平距离为5.3 m，浅缝槽位于7.0 m处，与煤柱侧巷帮水平距离为3.4 m，如图3所示。

图3 侧向断顶钻孔布置

3.2 临空巷道煤柱断顶卸压技术实施

临空巷道煤柱高压水力“割-压”断顶卸压技术包括四个阶段，分别为钻孔阶段、高压水力割缝阶段、窥视阶段、高压水力压裂阶段。

图4 钻孔阶段

钻孔阶段：在设定位置利用地质钻机、水力割缝浅螺纹钻杆、割缝器、水力割缝钻头等设备按设计方案进行钻孔，如图4所示。

图5 割缝阶段

高压水力割缝阶段：连接高压水力割缝管路，检查管路密闭性完好后，进行深部缝槽和浅部缝槽水力割缝，水 压 采 用 递 进 式 增 加：10 MPa，20 MPa，30 MPa，…，各缝槽割缝水压为50 MPa～85 MPa，最大割缝水压达到85 MPa，每个缝槽割缝时间总用时8～10分钟左右，如图5所示。

窥视阶段：采用钻孔电视对钻孔进行窥视，以便检验割缝效果和确定割缝位置，为接下来高压水力压裂做准备。

图6 压裂阶段

图7 水压监测仪及现场连接

高压水力压裂阶段：连接高压水力压裂管路，检查管路密闭性完好后，根据钻孔窥视确定的各钻孔深浅缝槽位置进行压裂，高压水力压裂方式采用间隔孔压裂，即对1#割缝-压裂钻孔（由于现场操作、施工问题1#钻孔未进行压裂）、3#割缝-压裂钻孔、5#割缝-压裂钻孔进行压裂，如图6所示。在压裂期间采用水压监测仪监测水力压裂时间、缝槽破裂水压力，水压监测仪如图7所示，水压监测结果如图8～9所示。

图8 3#钻孔水力压裂水压监测结果

图9 5#钻孔水力压裂水压监测结果

图8 ～9为不同钻孔水力压裂水压监测结果，其中，3#钻孔深缝槽水力压裂时间达200 s，缝槽起裂水压力为16.7 MPa，失稳水压力为17.5 MPa；3#钻孔浅缝槽水力压裂时间达45 s，缝槽起裂水压力为10.8 MPa，失稳水压力为11.5 MPa；5#钻孔深缝槽水力压裂时间达103 s，缝槽起裂水压力为14.7 MPa，失稳水压力为15.2 MPa；5#钻孔浅缝槽水力压裂时间达64 s，缝槽起裂水压力为13.1 MPa，失稳水压力为13.5 MPa。由各监测结果可以看出，水压力曲线基本相似，基本为水压上升段、水压稳定段、水压下降段。这主要由于高压清水泵泵注排量较大，且8214工作面上方顶板强度高、节理裂隙不发育、整体性强，上方顶板初次破裂后水压力并没有明显的下降，而是稳定在一定水平，此时的水压力为裂缝张开压力和裂缝扩展压力的综合体现。因高压水在经过压裂管路、封孔器等设备过程中出现水力衰减现象，缝槽起裂与裂缝扩展的纯水压力值要小于压力传感器监测到的数值。

4 临空巷道煤柱断顶卸压效果检验

4.1 钻孔电视探测

为了解高压水力割缝效果，待高压水力割缝完成后，使用钻孔电视对钻孔进行直观探测，以便更好地了解不同水压的割缝效果、缝槽位置等参数，为后续水力压裂做准备。

图10 1#钻孔窥视结果

图11 2#钻孔窥视结果

图12 3#钻孔窥视结果

图13 5#钻孔窥视结果

图10 ～图13为具有代表性钻孔不同水压割缝窥视结果。各钻孔分别进行了50 MPa、60 MPa、70 MPa、75 MPa、80 MPa、85 MPa，6种不同水压钻孔割缝，当水压为50 MPa时，缝槽相对较窄，并且孔壁仅仅有较浅的割痕，如图11（a）所示；当水压为60 MPa时，缝槽相对较窄，钻孔电视探测发现缝槽宽度仅为1 cm～2 cm，经相关研究分析可得割缝半径为到20 cm～30 cm，如图11（b）所示；当水压为70 MPa、75 MPa时，缝槽宽度逐渐变宽，钻孔电视探测发现缝槽宽度为3 cm～4 cm，经分析可得割缝半径为到30 cm～40 cm，如图10（b）、12（b）、13（b）所示；当水压为80 MPa、85 MPa时，缝槽宽度较宽，钻孔电视探测发现缝槽宽度为4 cm～5 cm，经分析可得割缝半径为到40 cm～50 cm，如图10（a）、12（a）、13（a）所示。由此可知，对于晋华宫12-2#层402盘区8214工作面顶板来说，最低割缝压力应大于50 MPa，并且缝槽宽度以及割缝半径随着水压的增大不断增大，缝槽宽度以及割缝半径与水压呈正比关系。

4.2 切顶前后顶板锚杆、锚索托锚力监测

采用锚杆（索）测力计检验临空巷道煤柱断顶卸压效果。在2214巷未实施割缝-压裂区域与实施割缝-压裂区域安装顶锚杆（索）测力计，以此监测两区域顶锚杆（索）真实受力状态，更好的评价割缝-压裂卸压效果。

4.2.1 测站布置

在未实施割缝-压裂与实施割缝-压裂区域，分别在巷道中部安装锚杆（索）测力计。在2214巷共布置4个测站，分别为1#测站、2#测站、3#测站、4#测站，其中1#测站、2#测站位于割缝-压裂实施区域，1#测站位于2#、3#钻孔之间，2#测站位于4#、5#钻孔之间，3#测站、4#测站位于未割缝-压裂区域，分别位于670 m、660 m位置处，如图14（a）所示。其中每个测站布置一个锚杆测力计、一个锚索测力计，其中锚索测力计距煤柱帮1 m，锚杆测力计距煤柱帮2 m，布置方式如图14（b）所示，锚杆（索）测力计现场安装布置，如图14（c）所示。

图14 测站布置

4.2.2 监测数据分析

图15 各测站锚杆（索）受力变化曲线图

图15 为各测站锚杆（索）受力变化曲线图，由图15（a）知，未割缝-压裂区域中的3#测站、4#测站中锚索受力较大，3#测站、4#测站中锚索最大值分别为85.7 kN、81.5 kN，平均83.6 kN；割缝-压裂区域中1#测站、2#测站中锚索受力相对较小，1#测站、2#测站中锚索最大值分别为71.2 kN、49.3 kN，分别为未割缝区域的85%、59%。由图4.15（b）知，未割缝-压裂区域中的3#测站、4#测站中锚杆受力较大，3#测站、4#测站中锚杆最大值分别为62.7 kN、60.1 kN，平均为61.4 kN；割缝-压裂区域中的1#测站中锚杆受力较大，达67.9 kN，2#测站中锚杆受力相对较小，仅为36.6 kN，为未割缝区域的60%。

其中1#测站中锚杆（索）受力较大原因主要为：1#测站位于2#钻孔与3#钻孔之间，而该区域由于现场操作、施工问题，仅对3#钻孔进行了压裂，致使该区域顶板仅有一部分被压裂，导致1#测站受力相对较大；2#测站中锚杆（索）受力较小主要是2#测站位于3#钻孔与5#钻孔之间，该区域3#钻孔与5#钻孔分别进行了割缝、压裂，该区域顶板压裂、卸压效果较好，进而2#测站锚杆（索）受力较小。

5 结论

（1）高压水力“割-压”破裂断顶卸压技术不仅可以实现对岩体局部应力的重新分布改造；而且能诱导裂缝沿预设或者工程要求方向扩展，达到定向的目的。

（2）通过现场钻孔窥视结果分析可知，对于8214工作面顶板来说，最低割缝压力应大于50 MPa；通过水压监测仪监测结果分析可知，对于割缝后8214工作面顶板来说，缝槽最小起裂水压力为10.8 MPa，最小失稳水压力为11.5 MPa。

（3）高压水力“割-压”破裂断顶卸压技术可以使临空巷道煤柱上方坚硬悬顶垮落，作用在煤柱上方的载荷降低，支承压力整体降低，煤柱应力环境得到改善，临空巷道应力水平整体降低，锚杆（索）受力大幅度降低，煤柱侧鼓帮现象得到控制。