顶板水力压裂切顶卸压在动压巷道中的技术应用

武文浩

山西焦煤西山煤电镇城底矿 山西 太原 030200

我国煤炭虽然储量丰富但赋存条件较为复杂，近四成的煤层存在坚硬顶板。坚硬顶板是指煤层上方直接赋存或在厚度较薄的直接顶上方存在的坚硬岩层，其主要特点为硬度大、整体性好、分层厚度大等。坚硬顶板的存在会对矿山的开采造成严重的影响。由于坚硬顶板极难垮落，随着工作面的持续推进，巷道顶板形成大面积的悬顶，悬顶一旦垮落会产生一定的冲击载荷，造成采空区的瓦斯涌出，发生瓦斯爆炸事故。镇城底矿综采工作面留巷巷道在强烈动压影响下出现顶板沉降明显、两帮收缩量和底鼓量显著增加、锚杆索发生破断等问题，巷道需要反复巷修才能维持正常使用，同时顺槽巷道悬顶现象明显，影响工作面安全回采。为了解决巷道变形以及工作面上隅角悬顶问题，采用在煤柱侧顺槽巷道进行水力压裂的方式提前切顶，切落煤柱上方悬臂梁，剪断顶板岩梁应力的传递，减小巷道所受应力，消除悬顶现象，有效解决了动压影响留巷巷道大变形和悬顶问题。

1 矿井概况

镇城底矿位于西山煤田西北处，井田面积约16.63km2，年设计生产能力为190万t。22305工作面开采的3#煤层平均厚度3.91m，平均倾角为4.6°； 煤层顶板以泥岩和砂质泥岩为主，局部含有软弱夹层，层理裂隙发育。22305 综采工作面，煤层厚度 5.52 m，平均倾角 4°；走向长 1714.9 m、倾斜长 220.7 m，面积378470.7 m2。工作面东部为相邻工作面采空区，西部为22301工作面采空区，北部无工作面，南部22302工作面采空区。22305巷为一次使用顺槽巷道，巷道悬顶上隅角瓦斯聚集，影响工作面安全回采，22305 巷为留巷巷道，受工作面回采动压影响，巷道变形较大，影响正常使用22305 巷断面为矩形，宽×高=5.2 m×3.9 m。

2 工作面水力压裂设计方案

2.1 水力压裂设备

采用切槽钻头在岩层中预制横向切槽，切槽钻头外径为 54 mm，钻孔直径为 56 mm。根据井下现场试验条件，采用跨式膨胀型封隔器进行水力压裂封孔，封隔器由弹性膜、钢套、钢管以及膨胀介质通道组成，封隔器的封孔膨胀介质为水、弹性膜为橡胶材料。使用 3ZSB80/62-90 型高压水泵进行注水增压压裂。跨式膨胀型封隔器封孔示意图如图1所示。

图1 跨式膨胀型封隔器封孔示意图

2.2 水力压裂参数

水力压裂高度与老顶回转变形的岩梁层位有关，依据公式计算老顶岩层厚度。

式中：Hi为由下而上第i层老顶岩层的厚度，m；H'i为由下而上第i层老顶分层的厚度，m；M为煤层采高，m；Ki为岩石碎胀系数，取1.15-1.33；Kz为岩石碎胀系数，取 1.33-1.5；h为直接顶厚度，m。 将22305工作面地质力学参数代入公式，计算出第2层老顶岩梁，即 6.10m砂质泥岩为岩层裂隙带岩层，因此压裂钻孔垂直深度应在6.10m 以上，并尽可能加深钻孔深度以确保效果。

根据22305工作面地质构造情况及现场实际情况，选择22305 巷道350 m 为试验区域，煤柱侧巷帮距离皮带 2.4-3 m。为避免工作面施工干扰，水力压裂钻孔施工与压裂作业应在瓦斯抽采钻孔施工前进行，先进行水力压裂作业，后施工瓦斯抽采钻孔。在223051 巷行人侧布置两排水力压裂钻孔，钻孔布置如图2所示，采用深浅孔交错布置，深浅孔间距 5 m。第一排钻孔为浅孔，布置在煤柱顶部与顶板的连接处，钻孔参数为直径 56 mm，长度 16 m，间距10 m，仰角 70°，垂直煤帮施工；第二排钻孔为深孔，开孔位置距离煤柱 1～2 m，钻孔参数为直径 56 mm，长度 60 m，间距 10 m，仰角 70°，钻孔与巷道轴线方向夹角 5°。

图2 22305 工作面水力压裂钻孔布置平面图

3 现场试验效果分析

为分析水力压裂对巷道围岩变形的控制效果，在未进行压裂段巷道和水力压裂段巷道分别布置表面位移测站，观测结果显示：未采用水力压裂技术时，巷道在工作面回采后以两帮收缩为主，两帮平均移近量为 554.5 mm，顶底板平均移近量为 463.5 mm。采用水力压裂技术后，巷道在工作面回采后两帮平均移近量减小为 328.33 mm，顶底板平均移近量减小为 140 mm。

由此可见，采用水力压裂技术后，22305 巷道围岩变形得到很好的控制，试验效果明显。分析水力压裂施工后工作面机头侧周期来压的变化情况，并以此了解工作面悬顶面积的变化，机头侧支架压力监测系统所得数据见表 1。

通过对比分析机头支架未压裂段与压裂段来压数据可知，未压裂段周期来压步距为 20.2 m，压裂段周期来压步距为 18.88 m，水力压裂后机头侧周期来压步距减小 1.3 m 左右。水力压裂切顶后，工作面机头侧整体工作阻力降低，说明压裂切顶减小了工作面上隅角顶板悬顶面积，较好地解决了采空区上隅角悬顶问题，避免了上隅角瓦斯集聚给工作面回采带来的安全隐患，为动压条件下复杂困难巷道围岩控制技术提供了新的科学依据。

表1 机头支架压裂前后阻力数据比较

4 结论

（1）通过实践研究发现，随着应力差的增大，岩石起裂的裂缝宽度及液体流速均呈现下降的趋势。

（2）通过模拟分析发现，随着水平应力差的增大，水平应力差对岩石起裂的约束作用增大，岩石的起裂偏转角逐步增大。