三交河煤矿11-201 工作面两巷水力压裂切顶卸压技术研究

王 涛

（山西汾河焦煤股份有限公司三交河煤矿，山西 洪洞 041600）

三交河煤矿主采11#煤层，11-201 工作面回采期间，巷道受超前支承压力作用，变形量较大，同时出现了一定程度的煤壁片帮及冒顶现象。为此，采用水力压裂切顶卸压技术对工作面两巷顶板进行切顶卸压，达到维护巷道稳定性，同时减小邻近11-203 及11-215 工作面巷道支护难度的目的。

1 工程概况

三交河矿11-201 工作面位于+850 m 水平，主采11#煤层。11#煤层厚度为1.3～2.3 m，平均厚度为2.1 m，倾角0～10°，平均5°，煤层厚度较为稳定，含2～3 层泥岩夹矸。煤层直接顶为泥岩，平均厚度4.0 m，基本顶为K2 灰岩，平均厚度12.7 m。煤层顶底板情况如图1。

11-201 工作面北侧及南侧分别为未掘进的11-203 及11-215 工作面。11- 201 工作面倾斜长228 m，推进方向长1589 m。为缓解工作面开采期间超前支承压力对巷道稳定性的影响，降低支护难度，同时减弱11-203 及11-215 工作面开采期间巷道受11-201 采空区的影响，决定采用水力压裂切顶卸压技术对11-201 工作面两巷上方顶板进行切顶卸压。

2 水力压裂切顶卸压技术原理

水力压裂切顶卸压通过在煤层顶板施工压裂钻孔，利用水压将顶板沿预制裂缝方向进行压裂，从而削弱顶板的强度和整体性，使顶板能够分层分次垮落，减小或消除悬露顶板对巷道施加的作用力，达到维护巷道稳定的目的。其本质是通过预先施工压裂钻孔实现控制压裂过程中裂隙扩展方向。

因此，水力压裂切顶卸压技术的原理是在煤岩体中施工钻孔并形成切槽，并在高水压作用下消除或减弱巷道顶板形成的悬臂结构，使基本顶悬臂结构可以及时垮落并充填采空区，进而减少巷道围岩的受力载荷，使巷道受力状态得以改变，从而实现对巷道变形的控制。切顶与未切顶巷道顶板结构如图2 所示。

图1 11-201 工作面综合柱状图

图2 切顶与未切顶巷道顶板结构

由图2 可知，未切顶卸压巷道煤柱受顶板自身重量FG和相互铰接的岩梁结构形成的压力F推的双重作用。因此，巷道煤柱侧的巷帮在顶板压力、采空区矸石的压力作用下将发生大变形，导致巷道支护较为困难。切顶卸压后，巷道上方基本顶将不再形成结构，使得巷道围岩仅受FG影响，且FG相较于卸压前大大减小。因此，未进行切顶卸压的巷道围岩应力要大于切顶后的巷道围岩应力。

3 压裂工艺与过程

为了减小对工作面生产的影响，压裂施工位置超前工作面80～120 m。压裂钻孔分别布置于11-201运输及回风巷道煤柱侧帮，钻孔长27.4 m，以保证钻孔底部高于基本顶岩层标高。钻孔间距为7 m，钻孔与煤柱夹角为10°，仰角为50°，钻孔直径为56 mm，钻杆直径为42 mm。具体参数如图3。

图3 水力压裂切顶卸压钻孔布置

顶板水力压裂切顶卸压工艺主要包括封孔、高压水压裂、保压注水3 个流程。根据11-201 工作面实际和相关工程施工经验，设置注水压力为65 MPa，流量为85 L/min。具体施工工艺如下：

（1）安装并连接封孔器，并通过排气试验检查装置是否存在漏液等问题[1-2]。采用专用密封圈将手压泵、高压胶管、储能器及封孔器连接，同时在注水钢管和高压胶管连接处加装水压仪，用于监测注水过程中水压变化。

（2）压裂设备连接调制完毕后，将封孔器安放到钻孔内进行封孔，并从钻孔最深处切槽处开始进行压裂，然后逐次向外进行[2-3]。将封孔器安放至指定位置后，通过手压泵对封孔器进行加压使其发生膨胀，直至压力表压力值达到16 MPa 时停止加压。若压力表读数不再发生变化，表明钻孔封孔成功，否则需检查封孔器是否漏气等问题[4]。

（3）打开水压仪，检查水压仪是否正常运行。然后，采用高压水泵开始进行加压注水，加压过程需缓慢进行，同时观察并记录流量计及压力表的读数。当压力读数突然减小时，表明钻孔内开始产生裂隙。此时，应增加注水量确保压力值满足预设值，使裂隙可以继续扩展，直至巷道内出现渗水，则停止注水。

（4）按顺序分别对顶板压裂钻孔进行注水压裂，施工完成后将高压水泵等设备进行断电、停水，并逐渐减小封孔器压力直至可以将其从钻孔中取出。

4 施工效果分析

4.1 水力压裂效果分析

采用钻孔电视成像仪对钻孔内压裂裂隙进行检验，钻孔内切槽形状呈矩形，对钻孔进行水力压裂时，切槽处岩体受拉应力作用而从切槽处开裂，并沿切槽方向逐步扩展，表明水力压裂效果较好。

4.2 切顶卸压效果分析

为了检验切顶卸压效果，分别在压裂段和非压裂段巷道两帮及顶底板布设位移测点，对巷道表面位移情况进行监测。分析监测数据可知，非压裂段巷道两帮位移量最大可达253 mm，顶底板移近量最大为516 mm，而压裂段两帮位移量最大值为142 mm，顶底板移近量最大为285 mm。相较于巷道非压裂段，压裂段巷道两帮围岩位移量降低约45.5%，顶底板移近量降低约42.3%，说明水力压裂切顶卸压技术可明显地减小沿空巷道围岩变形量。采用水力压裂技术能够切断工作面两巷与上覆关键岩层之间的应力联系，达到卸压护巷的目的。

5 结论

水力压裂切顶卸压效果较显著，通过在巷道顶板施工压裂钻孔对顶板岩层进行压裂，使得基本顶岩层可以产生定向裂隙，减小工作面回采过程中超前支承压力对巷道稳定性的影响。卸压后，巷道两帮围岩位移量降低约45.5%，顶底板移近量降低约42.3%，说明采用水力压裂技术可以切断工作面两巷与上覆关键岩层之间的应力联系，达到卸压护巷的目的。