中兴煤矿1209 工作面水力压裂留巷围岩控制技术研究与应用

宋 程

（山西焦煤汾西矿业中兴煤业有限责任公司，山西 交城 030500）

1 工程概况

汾西矿业集团中兴矿1209 工作面井下位于一采区北翼，工作面南部为一采区回风巷、东部为一采区轨道大巷，西部为1211 采空区，北部为保安煤柱，工作面开采4 号煤层，煤层厚度2.2～2.5 m，平均厚度为2.35 m，煤层顶板岩层为砂质页岩和中细粒砂岩，底板岩层为炭质泥岩和细粒砂岩，1209 工作面采用综合机械化采煤方法，工作面采用沿空留巷工艺，运输巷为沿空留巷巷道，为下工作面回采回风使用，具体1209 工作面沿空留巷示意如图1 所示，根据矿井以往沿空留巷经验可知，留巷巷道仅采用锚网索支护时，围岩变形量较大，根据工作面地质条件，拟采取水力压裂方案以进一步加强围岩变形控制，现具体进行围岩控制技术研究分析。

图1 1209 工作面沿空留巷示意图

2 水力致裂对留巷围岩的作用

为有效分析水力压裂对沿空留巷围岩的影响，现根据1209 工作面的地质赋存情况，采用COMSOL数值模拟软件，建立长×高= 200 m×48 m 的数值模型，模型中的各项物理力学参数均根据地质条件进行赋值，根据众多水力压裂方案，结合工作面的地质条件及留巷覆岩卸压相关要求，本次模拟主要致裂水压和钻孔长度进行模拟分析，基于分析结果具体分析不同水压和不同致裂位置时，煤岩层中压力分布范围、大小、裂隙分布的疏密程度及范围[1-3]。模拟方案：①水压参数分析：设置钻孔φ= 60 mm，钻孔与水平方向成45°布置，钻孔长度为30 m，分别模拟分析钻孔压力为14、16、18、20、22 MPa 时留巷围岩压力的分布情况；②钻孔长度模拟分析: 设置钻孔φ=60 mm，钻孔与水平方向成45°布置，水力压力为22 MPa，分别对钻孔长度分别为10、20、30 m 时围岩内煤岩层裂隙发育特征进行分析。

2.1 水压参数影响

根据数值模拟结果，能够得出不同水力压力下达西速度场分布中流线扩散半径与煤岩层压力的关系曲线如图2 所示。

图2 不同致裂压力下煤岩层压力与流线扩散半径关系图

分析图2 可知，随着达西速度场流线扩散范围的增大，煤层内的压力呈现逐渐减小的趋势，且随着注水压力的增大，煤岩层压力减小的速度在不断增大；对煤岩层进行水力致裂时，煤岩层内的卸压范围半径由0 增大到100 m 时，随着注水压力的增大，煤岩层的卸压空间也在不断增大，即在一定程度上注水压力值与煤岩层的卸压效果呈现出正相关关系。

另外根据数值模拟结果能够得出不同注水压力下煤岩层达西速度场中的流线分布如图3 所示。

图3 不同水压时煤岩层达西速度场流线分布云图

分析图3 可知，在钻孔倾斜方向上，随着施加水压的不断增大，流线分布的密集程度在不断增大，图中流线的密集程度代表着煤岩层中裂隙的数量，裂隙数量的增多即表明区域卸压效果显著；另外从图中能看出水流流线在煤岩层中的延伸并不是发射状，其在某个位置收敛后会继续延伸，这表明水力致裂存在一个最优卸压范围，在图中呈现为扇形分布，卸压范围随着水压的增大呈现缓慢增大的趋势[4-5]。

2.2 钻孔长度模拟

根据模拟方案可知，钻孔长度分别为10、20、30 m 时，水力压裂卸压的达西速度长流线分布见图4。

图4 不同压裂位置煤岩层达西速度场流线分布云图

分析图4 可知，随着压裂位置增大，煤岩层内流线分布更为均匀，流速不断增大，且相较于钻孔长度为10、20 m 时，水力压裂钻孔长度为30 m 时，此时煤岩层中的卸压区域更大，即更有利于煤岩的控制。

综合上述水压参数和压裂位置的模拟分析结果，确定水力压裂的压裂水力为22 MPa，水力压裂钻孔参数为φ60 mm×30 000 mm，钻孔与水平方向成45°布置。

3 沿空留巷支护方案及效果

3.1 留巷支护方案

1209 工作面运输巷沿4 号煤层底板掘进，巷道断面为矩形，巷道宽×高=4 800 mm×2 800 mm，根据矿井沿空留巷工程实践经验及水力压裂对沿空留巷围岩影响的模拟结果，综合确定1209 运输巷沿空留巷时采用锚网索+ 水力压裂+ 充填墙体+ 超前临时支护的支护方案，具体支护参数如下：

1）巷道掘进期间的锚网索支护。顶板采用规格为φ22 mm×2 400 mm 的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆间排距900 mm×1 000 mm，每排布置6 根，顶板锚索采用φ21.6 mm×8 300 mm 的1×7 股钢绞线，锚索采用每排4 根和3 根交替布置的方式，即锚索间排距为1 000/900 mm×2 000 mm，锚杆预紧扭矩为300 N·m，锚索预紧力为150 kN；巷道两帮采用φ22 mm×2 400 mm 的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆间排距为900 mm×1 000 mm，每排布置6 根，巷道全断面采用金属网进行护表，锚杆间采用钢筋梯子梁连接，具体巷道掘进期间的支护方式见图5。

图5 运输巷掘进期间支护断面图

2）水力压裂方案。工作面回采作业时，超前工作面150 m 进行水力压裂，设置水力压裂钻孔参数为φ60 mm×30 000 mm，钻孔与水平方向成45°布置，水压为22 MPa，压裂钻孔的排距为8 m，在压裂钻孔15～30 m 的深度处，每间隔2 m 进行1 次压裂作业，采用倒退式压裂方式[6]，共计进行8 次压裂作业，压裂的水平距离在靠近采空区墙边的1～6.5 m范围内，具体压裂方案如图6 所示。

图6 水力压裂钻孔布置平面图

3）充填墙体支护：1209 工作面回采期间，滞后工作面10 m 开始进行充填墙体的构筑作业，充填墙体采用C30 柔模混凝土进行构筑，充填强度的宽度为1.2 m，高度2.8 m，构筑作业时2 m 为一个模块，墙体上采用φ20 mm×1 300 mm 的高强螺纹钢对墙体进行补强支护，锚栓间排距750 mm×1 000 mm，预紧扭矩150 N·m。

4）超前临时支护：在超前工作面30 m 的范围内采用“一梁三柱”临时支护，一梁采用长度为3.6 m的π 型梁配合3.6 m 的单体支柱进行支护，单体支柱的间距为1 600 mm，排距为800 mm。

3.2 效果分析

1209 工作面运输巷沿空留巷期间，为有效对比分析巷道采用水力压裂方案前后的围岩变形情况，分别在留巷采用水力压裂段和未采用水力压裂段进行围岩变形量的观测分析，根据观测结果，现具体以工作面回采推进通过围岩观测点280 m 时围岩变形的最终状态进行对比分析，具体围岩变形量对比柱状图如图7 所示。

图7 未采取水力压裂和水力压裂实施后围岩变形对比柱状图

根据现场工程实践结合图7 可知，1209 工作面沿空留巷期间，巷道围岩的变形量在不断增大，其中未采用水力压裂段的围岩变形速率较大，而采取水力压裂方案后的留巷围岩变形速率较小。留巷未采用水力压裂方案时，工作面推进通过围岩观测点280 m 时，此时围岩顶底板和两帮最大变形量分别为1 080 mm 和163 mm；而留巷采用水力压裂方案后，顶底板及两帮变形量的最大值分别为500 mm和41 mm，降幅分别为53.7%和74.8%。另外从工程现场观测能够看出，巷道在未采用水力压裂时，顶板岩层明显下沉，超前临时支护的π 型钢明显出现下沉现象，而留巷采用水力压裂方案后，工作面回采期间，π 型钢无弯曲现象。据此可知，留巷在锚网索+水力压裂+充填墙体+超前临时支护的支护方案下，围岩处于稳定状态。

4 结 论

根据1209 工作面沿空留巷的特征，采用数值模拟软件进行水力致裂对留巷围岩的作用模拟分析，基于模拟结果确定水力致裂能有效增大留巷围岩的卸压范围，利于围岩控制，确定水力压裂钻孔及水压参数，结合巷道特征，设计巷道采用锚网索+水力压裂+充填墙体+超前临时支护，根据围岩变形分析可知，留巷在现有支护方案下围岩处于稳定状态。