沿空留巷水力压裂切顶卸压技术试验研究

王胜利

（山西新元煤炭有限责任公司，山西 晋中 045400）

沿空留巷技术的运用不仅提高了巷道的复用率，而且Y 型通风结构也极大地解决了回风隅角瓦斯容易积聚的技术难题。因复用巷道留置在工作面侧向支撑应力降低区内，所以留巷空间的变形量一般均在可控范围内。但当顶板中的厚硬岩层在回采后垮落不及时、不充分时，该部分的荷载将长期作用在煤柱和巷帮充填体上，最终使得巷道两帮及顶底板的相对移近量明显增大。沿空留巷水力切顶卸压工艺目前在综采工作面已被广泛运用[1-5]。水力切顶技术实施前，需首先利用钻头在顶板设定高度内预制切槽，然后在岩层自重与支承压力的综合作用下使顶板沿切槽部位开裂破断垮落。但是在保障沿空留巷稳定性方面该工艺运用较少。

以新元煤炭有限责任公司3109 工作面辅助进风巷的实际地质资料为依托，拟采用水力压裂技术对顶板岩层进行压裂卸压，并对切顶段内沿空留巷的应力演化特征及位移变化规律进行研究。

1 工程背景

3109 工作面开采3#煤层，平均采高2.7 m，工作面沿走向布置倾斜推进，采用全部垮落法管理顶板。为提高巷道复用率，在3109 工作面辅助进风巷与落山之间拟采用柔模沿空留巷工艺浇筑墙体对原巷道进行保留；墙体宽度为2.4 m，采用新型高水材料，初凝时间为7 min，终凝时间为22 min，最大抗压强度为12.16 MPa。在柔模挂网施工前，需在其待接顶位置施工三根Φ21.6 mm×8 300 mm 的锚索，该补强支护的目的是有效维护墙体上方顶板的稳定性，减少直接顶岩层对墙体的荷载。3#煤层伪顶为灰色高岭石泥岩，平均厚度0.30 m；直接顶由2.49 m 厚的砂质泥岩组成； 老顶为灰白色中粒砂岩，平均厚度2.35 m。在3#煤上方30 m 处有一层8.5 m 厚的粗砂—中砂岩，厚度较大，强度相对较高，为3#煤层上方的关键层，所以该岩层为本次水压致裂处理的关键区域。

2 水力切顶实施工艺

2.1 钻孔设计

新元煤矿3109 辅助进风巷设计水力压裂段长度为300 m，为不影响工作面正常生产，钻孔施工位置距离工作面应大于100 m，在超前应力影响范围外沿煤壁侧布置。钻孔参数根据顶板岩层厚度、岩性、矿压显现特点与范围综合确定。工作面侧钻孔在巷帮开孔，钻孔直径56 mm，位置距顶板1 m，钻孔水平投影与巷道轴线方向成17°夹角，仰角为50°，孔间距为10 m，钻孔长度为42 m，见图1。考虑到若切顶深度太小，当工作面开采到此位置时，会造成该区域内直接顶岩层过早破断，致使其所在区域工作面顶板维护工作变得被动，为防止冒顶等事故的发生所以保留了其上部27 m宽的三角形岩块。为了保证压裂过程中巷道顶板安全，钻孔压裂深度为15.7～42 m，每个压裂单元的长度为3 m，每孔压裂8～9 次，每次不少于30 min。

图1 3109 辅助进风巷水力压裂卸压钻孔布置

2.2 压裂钻孔打设及开槽

钻孔钻进使用煤矿用全液压坑道钻机，钻头直径为56 mm。当钻机钻进至待开槽部位时，需将普通钻头替换为开槽钻头，然后在指定位置完成切缝作业，接着再换做普通钻头继续钻进，依次循环往复，直至打到设计层位。采用跨式膨胀型封孔器封孔。封孔作业由手动加压泵配合储能器完成。利用树脂胶管（10 mm）将手动泵、储能器、封孔器顺次连接，为达到保压的效果三通出水端需分别加装两个截止阀。在打压封孔前需首先打开“三通”上的两个截止阀，然后将手动泵加压至10 MPa，最后关闭截止阀，完成封孔作业，见图2。

图2 封孔系统连接

2.3 钻孔注水压裂

压裂作业从距离钻孔底部最近的切槽部位开始进行。为保证水压致裂的效果，高压水泵的加压作业需分段进行。随着开槽段裂纹的扩展，这时压力会突然下降，此时仍需保压20～30 min，以保证裂纹的充分发育。由图3 可知，在水力压裂试验阶段的初期，压力随着时间不断递增，在239 s 时达到了13.1 MPa，此时裂纹开始沿横向切槽段扩展；在裂纹扩展的过程中水压值基本稳定在13.1～16.2 MPa之间；最终在压裂作业持续1 200 s后压力衰减到0 MPa，并且煤帮和钻孔中有水渗出，说明该段岩石已沿切槽段充分预裂。

图3 水力压裂时程曲线

3 后续水力压裂切顶卸压实施效果监测

为综合评价研究水力压裂试验的工业性试验效果，图4 为3109 辅助进风巷水力压裂地段和非水力压裂地段布置巷道矿压综合监测测站，主要监测内容包括：巷道两帮相对位移量、沿空留巷墙体的受力情况。位移量通过布设十字监测点采进行测定，充填体的受力情况通过预置的压力盒实现。

图4 矿压观测测点布设

图5 水力压裂区段顶底板及两帮位移

图6 非水力压裂区段顶底板及两帮位移

水力压裂区段顶底板及两帮的位移量分别为246 mm、220 mm。根据工作面采线位置与测点间距离的相对关系可将巷道的变形划分为如下几个阶段： 在滞后工作面4.4～45.29 m 的位置时水力压裂区段巷道顶底板及两帮的变形均较大，移近速率（工作面每推进1 m 顶底板及两帮的移近量）分别为2.8 mm/m、4.18 mm/m，在滞后工作面45.29～118 m 的位置时巷道变形速率逐渐减小，顶底板移近速率为2.38 mm/m、两帮移近速率为0.25 mm/m，最终在工作面推过测点118 m后变形量基本稳定。水力压裂区段巷道变形达到基本稳定的状态，对提高巷道的复用率，降低巷道后期维护成本具有重要的意义。非水力压裂区段在工作面推过测点144.5 m后两帮的累计变形量为300 mm，顶底板的累计变形量为331 mm，并且仍呈逐渐递增状态，这说明在未实施水力切顶工艺的条件下侧向支撑压力会对沿空留巷空间产生明显的影响，导致巷道两帮及顶底板移近量增大。

图7 水力压裂区段沿空留巷包体压力盒

图8 非水力压裂区段沿空留巷包体压力盒

为监测煤层开采过程中沿空留巷墙体的受力情况，分别在压裂区段、非压裂区段的墙体顶部各设置一个压力盒。因为高水材料在浇筑完成后强度上升较快，所以在工作面推过测点4.4 m 后压力盒所受的应力值已达14.9 MPa，在此基础上工作面再向前推进65.8 m 时应力值已递增为21 MPa，在工作面推过测点99.6 m 后水力压裂区段压力盒的应力值基本稳定在22.1 MPa，见图7。图8 为非水力压裂区段墙体直至工作面推过144.5 m 后所受荷载一直呈递增状态，但其递增速率要明显小于工作面距其-4.4～-45.2 m 这一区段。

4 结语

根据矿井回采巷道地质条件以及以往成功经验，对以新元煤矿3109 辅助进风巷沿空留巷水力压裂切顶卸压技术进行了设计，并进行了现场试验，主要结论有：

1）通过记录压裂过程中的压力—时间曲线可将开槽段裂纹扩展划分为：起裂准备、裂纹扩展、止裂三个阶段。

2）水力切顶工艺减小了顶板悬梁的跨距，试验段顶底板及两帮的移近量分别为246 mm、220 mm。水力切顶工艺实施后巷帮充填体所受载荷较非试验段相比明显减小，在工作面推过测点99.6 m 后应力值稳定在22.1 MPa。