高瓦斯矿井动压巷道水力切顶卸压技术研究

赵艳军

（山西晋能控股煤业集团沁秀公司岳城煤矿，山西 晋城 048006）

切顶卸压技术是近年来煤矿井下新兴技术之一。该技术能够有效解决采空区留巷顶板支护及上隅角瓦斯积聚问题，大幅提高资源回采率。但对于高瓦斯矿井动压巷道，由于临近工作面的采动影响、采空区瓦斯等因素，无法采用放炮爆破方法处理工作面上隅角悬顶。水力压裂技术切顶卸压[1-3]具有操作简单、安全、扩散范围广、效果明显等优点，可以有效压裂巷道煤柱深部围岩，从而将支承压力消除或者转移，从而使巷道处于低地应力区，降低巷道支护难度，保证矿井安全生产。

1 概况

岳城矿Ⅲ2312 综采工作面位于西翼盘区，煤层厚度3.22 m，平均倾角4°，走向长1 214.9 m，倾斜长220.7 m。工作面东为一盘区（工作面已全部回采结束），西部为夏河移民新村，北为Ⅲ2302工作面，南为侯村煤矿采空区。工作面水文地质条件中等，回采前对K8、K10 含水层水进行疏放。目前工作面巷道顶板明显下沉，底鼓现象明显，部分锚杆锚索已失效。根据工作面地质构造情况及现场实际情况，拟选择在Ⅲ23122 巷17#～20#横川320 m 处进行切顶卸压。Ⅲ2312 工作面巷道布置如图1。

图1 岳城矿2312 工作面巷道布置图

2 方案设计

2.1 顶板条件良好时水力压裂设计方案

根据通风部提供的资料， 设计在Ⅲ23121/Ⅲ23123 巷5#、8#、11#、15#、19#联络横川内和南翼胶带巷向Ⅲ2312 工作面施工采空区定向高位钻孔。考虑到19#横川打设的高位钻孔影响水力压裂效果，采取先压裂后打钻方式进行施工。压裂钻孔采取双侧布置的方式，如图2。

图2 2312 工作面水力压裂钻孔布置平面图（m）

如图2，在巷道行人侧施工两排钻孔，孔间距5 m，深浅孔交错布置。煤柱侧钻孔（浅孔）布置在顶帮连接处开孔，钻孔直径56 mm，钻孔深度为16 m，垂直煤帮，仰角角度为70°，孔间距10 m；皮带侧钻孔在顶板开孔，开孔位置距煤柱侧巷帮1～2 m，孔间距为10 m。

2.2 顶板条件较差时水力压裂设计方案

Ⅲ23121 巷水力压裂试验段出现部分顶板岩层条件比较破碎、顶板下沉段。在Ⅲ2312 工作面回采过程中，此段巷道工作面超前压力影响比较大，Ⅲ23121 巷出现顶板下沉和两帮挤出变形大、底鼓严重等情况，影响巷道的正常使用。针对此种情况，对水力压裂设计进行优化，在试验巷道双侧布置压裂钻孔，孔距保持在10 m 左右。

3 施工工艺

3.1 钻孔开槽施工

本次钻孔施工采用西安煤科院研发的ZDY-4500L 全液压坑道钻机，配套Ф56 mm 专用钻头，在巷道顶板完整区域进行开槽。当钻头施工位置到达钻孔预设位置时，减缓钻进速度，待钻头匀速钻动时，更换开槽钻头再进行施工，并对钻孔反流出的水质进行观察，判断开槽质量和进度。开槽完成后，以低转速将开槽钻头匀速撤出，更换为普通钻头后继续施工。当施工到下一个开槽孔时再更换开槽钻头，并按上述工序循环至打钻结束。此外为保证后续封孔质量，钻孔施工后要立即用静压水对钻孔进行冲洗，钻进方向要近似为一条直线。

3.2 钻孔注水压裂

钻孔施工完成后，对钻孔进行注水压裂。

（1）根据设计要求，在钻孔内分别布置封孔管线和压裂管线，确保管路畅通有效后，先将静压水与封孔器进行连接进行试压排气，运行正常后再将封孔器与储能器和手动泵连接，并对管线的密封性进行测试，不合格则对截止阀和密封圈进行及时更换。

（2）打开截止阀，使静压水开始流入储能器，当手动泵压力表指针逐渐静止时，记录此时的压力值大小即为静压水压力。

（3）将静压水截止阀关闭，将打压手动泵调节至10 MPa 左右，观察封孔器的监测压力表是否降低，钻孔是否有水流出，无明显现象则说明封孔有效。

（4）打压完毕，将两个截止阀关闭，避免孔内水倒流回封孔器。

4 现场实验

为对比未进行压裂段、水力压裂段巷道围岩变形量，分别在Ⅲ23123 巷未进行压裂段、水力压裂段相同条件区域安设巷道位移监测站，共布置两组测站，其中未压裂段为1#～2#测站，水力压裂段为3#～10#测站，监测时间历时5 个月。具体分析如下：

4.1 未进行压裂段巷道表面位移监测分析

在23122 巷未进行压裂段巷道，2 号测站监测结果如图3，相关数据见表1。

图3 未进行压裂段巷道表面位移监测曲线

由表1 可以看出，在未进行压裂的时候，工作面在回采之后围岩主要以巷道两帮收缩为主，平均移近量为554.5 mm，顶底板移近次之，平均移近量为463.5 mm。

表1 43122 巷未压裂段巷道表面位移统计表

4.2 水力压裂段巷道表面位移监测分析

在23122 巷水力压裂段巷道，3 号测站监测结果如图4，数据对比见表2。

图4 水力压裂段巷道表面位移监测曲线

表2 43122 巷水力压裂段巷道表面位移统计表

由表2 可以看出，工作面水力压裂段正常回采时，巷道围岩变化主要表现为两帮收缩，平均表面位移量为328.33 mm，其次是顶底板围岩变化，平均表面位移量为155 mm，底鼓量较顶板下沉量变化较大。

5 结论

观测数据显示，在进行水力压裂后，比未压裂卸压两帮移近量降低40.79%，顶底板移近量降低69.80%。说明采用水力压裂切顶卸压能够使留巷巷道整体变形基本得到控制，巷道底鼓量明显减少，顶板和两帮煤体基本保持完整，巷道围岩控制稳定。