水力壓裂切頂卸壓控制臨近巷道圍巖變形研究

景剛剛

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)蒲縣豹子溝煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000）

采空區(qū)頂板管理直接影響工作面及臨近巷道礦壓顯現(xiàn)[1-2]，一般來說采空區(qū)頂板懸露的面積越小，工作面及臨近巷道礦壓顯現(xiàn)越不明顯，懸頂?shù)拿娣e越大，當(dāng)頂板垮落時(shí)礦壓顯現(xiàn)越明顯，容易造成煤壁片幫、巷道圍巖變形較大等問題[3-4]，故如何控制采空區(qū)頂板懸露大小成為研究的重點(diǎn)，一些學(xué)者提出了強(qiáng)制爆破等切頂技術(shù)，雖然在切頂上達(dá)到了較好的預(yù)期效果，但也帶來易引發(fā)瓦斯和煤塵爆炸等問題。近年來，水力壓裂切頂技術(shù)發(fā)展迅速，優(yōu)勢在于避免火工爆破帶來的次生災(zāi)害，且能溫和、可控的產(chǎn)生頂板裂隙，達(dá)到切頂卸壓的目的，也不產(chǎn)生有害氣體[5-6]。本文針對(duì)豹子溝煤礦頂板堅(jiān)硬難冒落等問題，從理論分析、現(xiàn)場應(yīng)用及效果檢驗(yàn)等方面系統(tǒng)研究水力壓裂切頂卸壓控制臨近巷道圍巖變形技術(shù)，為相似地質(zhì)條件圍巖控制提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

豹子溝煤礦的3316工作面和3314工作面為相鄰工作面，均未開采，其中3316回風(fēng)順槽和3314運(yùn)輸順槽相鄰，煤柱間距為40m。兩工作面均為簡單褶曲構(gòu)造，工作面煤層底板起伏較小，北部為三條集中大巷，工作面布置情況如圖1所示。3316工作面首先回采，起初煤層厚度4m左右，采用一次采全高綜合機(jī)械化采煤。回采過程中，采空區(qū)懸露頂板較大，來壓時(shí)工作面壓力顯現(xiàn)明顯，尤其是臨近巷道3314運(yùn)輸順槽巷道圍巖變形嚴(yán)重，以底鼓為主，局部底鼓可達(dá)1000mm。隨著工作面推進(jìn)，工作面煤層厚度逐漸增加，平均6m，采空區(qū)懸露頂板同樣較大，來壓時(shí)動(dòng)壓影響更為明顯，3314運(yùn)輸順槽變形更加嚴(yán)重，局部底鼓量達(dá)1500mm，嚴(yán)重影響豹子溝煤礦生產(chǎn)銜接等問題。

2 水力壓裂切頂機(jī)理

采空區(qū)懸露的頂板不能及時(shí)垮落的主要原因在于頂板為強(qiáng)度高、完整性好，且受采動(dòng)影響后完整性仍較好的巖層。隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)上方，尤其是上隅角弧形三角板不能及時(shí)垮落，從而造成懸頂，頂板越堅(jiān)硬、巖層越厚，弧形三角板面積越大，如圖2所示。懸頂沒有及時(shí)破斷主要是因?yàn)槊褐戏叫纬傻膽冶哿涸诿褐吘墰]有形成足夠的裂隙面，也沒有形成足夠大的應(yīng)力集中切斷巖層。所以若想切斷采空區(qū)上方弧形三角板的懸露的頂板，可采用人為的、安全的預(yù)裂切頂技術(shù)，即水力壓裂切頂技術(shù)，增加煤體上方巖體的裂隙面，使懸露的頂板在自重作用下及時(shí)垮落。

圖1 3316工作面巷道布置示意圖

圖2 工作面頂板垮落弧形三角板形態(tài)

3 水力壓裂方案設(shè)計(jì)及實(shí)施

壓裂切頂在3316回風(fēng)巷，設(shè)計(jì)一個(gè)長度為300m壓裂試驗(yàn)段。根據(jù)水力壓裂機(jī)理和礦井地質(zhì)條件確定壓裂鉆孔的位置以及壓裂的相關(guān)參數(shù)。

（1）為了確保3316回風(fēng)巷水力壓裂的裂隙效果，在頂板距3316回風(fēng)巷副幫（保護(hù)煤柱一側(cè)）1m處施工壓裂鉆孔。鉆孔直徑75mm，相鄰兩組鉆孔間距10m，鉆孔水平投影與巷道軸線方向呈10°夾角，偏向煤柱側(cè)，每組鉆孔長度為40m，仰角為60°，水平投影長度為20m，垂直投影長度為35m。水力壓裂鉆孔布置圖如圖3所示。

（2）鉆孔布置后，實(shí)施壓裂過程中，壓裂鉆孔每3m采用切槽鉆頭預(yù)制設(shè)計(jì)方向的裂縫，壓裂的間距為3m，采用高壓水預(yù)制定向壓裂。為不影響生產(chǎn)，水力壓裂作業(yè)位置距離工作面不低于100m，壓裂鉆孔開口處至8m內(nèi)不得進(jìn)行壓裂，主要保護(hù)錨索支護(hù)效果。

（3）壓裂試驗(yàn)段在3316回風(fēng)巷842m至1142m處，共300m，注水壓力為 17～32MPa，壓裂時(shí)間10～30min。壓裂段從6月23日至8月8日施工完成，對(duì)應(yīng)在3314運(yùn)輸順槽建立圍巖變形觀測站。

圖3 水力壓裂鉆孔布置圖

4 水力壓裂效果檢驗(yàn)

對(duì)壓裂試驗(yàn)段附近的3314巷道圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明，壓裂段巷道變形以底鼓為主，底鼓最大值為285mm，頂板、左和右?guī)妥冃瘟枯^小，最大值分別為114mm、52mm和96mm；在未水力壓裂附近的3314巷道圍巖變形也以底鼓為主，但底鼓最大值在1000mm以上，未卸壓區(qū)域頂板下沉量可達(dá)500mm，左幫和右?guī)鸵平吭?40mm以上。

圖4 3314巷道圍巖變形監(jiān)測曲線

5 結(jié)語

本文理論分析了懸露頂板未能及時(shí)垮落的原因，提出了水力切頂卸壓的方法，結(jié)合礦上實(shí)際情況，提出了水力壓裂設(shè)計(jì)方案，并現(xiàn)場實(shí)施應(yīng)用。結(jié)果表明，未實(shí)施水力切割的臨近巷道圍巖變形較大，其中底鼓量最大值超過1000mm，實(shí)施水力壓裂卸壓的臨近巷道圍巖變形較小，其中底鼓量最大值為285mm?？梢缘贸鰧?shí)施水力切頂卸壓效果明顯，為相似地質(zhì)條件下臨近巷道圍巖變形控制提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。