康紅普，姜鵬飛，馮彥軍，趙凱凱

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

井工煤礦開采需要在井下開掘各種類型的巷道，包括大巷、采區(qū)集中巷、上下山及回采巷道等。對于不受采煤工作面采動影響的巷道，開挖只是破壞了原巖應力狀態(tài)，巷道圍巖應力重新分布，圍巖向巷道空間移動。當應力達到圍巖強度時，圍巖出現(xiàn)破壞；當圍巖結構不能保持穩(wěn)定時，巷道就會出現(xiàn)冒頂、片幫等現(xiàn)象?？梢?，圍巖變形與破壞是圍巖強度、剛度與圍巖應力作用的結果，提高圍巖強度、剛度或降低圍巖應力均可控制圍巖變形與破壞。井工煤礦80%以上的巷道受采煤工作面采動影響，采動應力數(shù)倍于原巖應力。采動巷道不僅受原巖應力的影響，其穩(wěn)定性更主要取決于采動應力大小和作用時間，采動巷道圍巖變形、破壞與其同采煤工作面開采的時空關系密切相關。

根據(jù)煤礦巷道圍巖變形與破壞的原因，國內外開發(fā)出多種形式的巷道圍巖控制方法[1-3]，按圍巖控制原理可分為2大類：① 給巷道表面提供約束，以及提高圍巖強度、剛度、完整性和穩(wěn)定性的支護加固法，包括各種棚式支架、支柱、砌碹支護等作用在圍巖表面的支護形式，錨桿、錨索、注漿等能深入到圍巖深部的錨固、加固形式[4-5]；② 降低圍巖應力、轉移圍巖高應力、均勻化圍巖應力避免出現(xiàn)過高集中應力、降低圍巖偏應力和應力梯度等的應力控制法[6-8]，包括基于最大水平主應力方向的巷道掘進方向優(yōu)化、巷道斷面優(yōu)化，將巷道布置在應力降低區(qū)，在巷道淺部圍巖實施切縫、鉆孔、爆破、壓裂及鄰近掘巷等，將圍巖高應力向深部圍巖轉移;也包括采用爆破、水力壓裂等方法減小采煤工作面對巷道的采動影響。上述多種應力控制法也稱卸壓法。

隨著煤礦開采深度與強度不斷增加，應力的作用越來越重要。深部巷道原巖應力高，特別是千米深井巷道，原巖應力達到40 MPa以上[9]，甚至超過煤巖體強度，巷道掘出后就產生大變形，受到采動影響后圍巖變形更加劇烈，有的還出現(xiàn)沖擊地壓等動力災害，僅采用支護加固法很難有效控制圍巖變形與破壞。隨著工作面煤炭產量的不斷提高，強采動巷道占比越來越大。這些巷道在掘進期間圍巖變形一般比較小，受到采動影響后圍巖變形劇烈增加，有些巷道還經歷二次、多次采動影響，巷道維護更加困難。支護加固法在這種條件下經常失效，無法保證巷道穩(wěn)定與安全?？傊瑢τ谏畈扛邞ο锏?、強采動巷道等應力主導型的復雜困難巷道，僅采取加大支護強度、密度，進行二次甚至多次支護有時是不可行的。需要將支護、加固及卸壓有機結合，協(xié)同控制圍巖變形[10]，其中卸壓法可起到支護加固法不可替代的重要作用。

筆者介紹了煤礦巷道圍巖卸壓技術的類型，分析各種卸壓方法的原理及適用條件，通過卸壓法應用實例分析，介紹卸壓法設計參數(shù)，評價卸壓效果，并對卸壓法今后的發(fā)展提出建議。

1 煤礦巷道圍巖卸壓技術分類

巷道圍巖卸壓技術有多種，具體見表1，可分為巷道布置法、巷道圍巖近場卸壓法及遠場卸壓法。

表1 煤礦巷道圍巖卸壓法分類Table 1 Classification of destressing methods for rock around coal mine roadways

1.1 巷道布置法

礦井開拓部署、采煤工作面與巷道布置、采煤方法、采掘順序等均會對巷道圍巖應力、變形與破壞產生影響。通過合理的采掘部署，將巷道布置在應力降低區(qū)是最有效的巷道圍巖應力控制方法。根據(jù)巷道與采煤工作面、采空區(qū)的相對位置關系，可分為巷道布置在采空區(qū)下方、采空區(qū)上方、采空區(qū)邊緣及采空區(qū)內等形式。

對于長壁全部垮落法開采，煤層開采后會在頂板形成垮落帶、斷裂帶及彎曲下沉帶，如圖1所示，在底板形成破碎區(qū)，并在采空區(qū)頂板和底板出現(xiàn)一定范圍的應力降低區(qū)，而高應力轉移到工作面邊緣的煤體、煤柱及深部圍巖中。在煤層群開采中，鄰近煤層的開采對上覆和下伏煤層開采均有顯著影響。所謂卸壓開采就是通過先開采保護層(圖1中部煤層)，在保護層采空區(qū)頂板和底板巖層中出現(xiàn)大范圍卸壓區(qū)，有利于瓦斯抽采和主采煤層巷道維護及安全、高效開采[11-15]。

1、2、3、4、5、6、7—巷道位置圖1 卸壓開采煤層巖層移動與破壞及應力分布Fig.1 Strata movement,fracturing and stress distribution around destressing mining coal seam

在已采煤層采空區(qū)下方應力降低區(qū)內布置巷道，對巷道圍巖穩(wěn)定與維護非常有利。因此，在下部煤層開采時，通常采用內錯布置方式，將回采巷道布置在距上部煤層采空區(qū)邊緣一定位置的采空區(qū)下，如圖1中的位置1。另外，在煤層群開采中，將底板巖石巷道布置在已穩(wěn)定的上部煤層采空區(qū)下低應力區(qū)(圖1中位置2)，先卸壓開采后掘進巷道，會顯著改善巷道圍巖應力狀態(tài)，有利于巖石巷道長期穩(wěn)定[16]。對于跨巷開采的底板巷道，跨采前巷道要經歷采煤工作面超前支承壓力影響。只有當工作面跨過巷道后，巷道才能處于應力降低區(qū)[17-18]。因此，跨采巷道一般需要在跨采前、跨采過程中進行加固，跨采后需要修復[19]，之后可長期處于低應力狀態(tài)。

將巷道布置在采空區(qū)上方多見于上行開采。上行開采先開采下部煤層，上部煤層回采巷道大多位于下層煤開采形成的斷裂帶或彎曲下沉帶范圍內，對上部煤層開采造成一定影響，影響程度與下部煤層采高、層間距、上下煤層開采間隔時間等多種因素有關[20-21]。為了避開斷裂帶及應力集中的影響，上部煤層回采巷道布置有內錯式和外錯式2種方式。外錯式布置巷道應位于下部煤層采空區(qū)邊緣外一定距離(圖1位置3)，以避開煤層拉伸變形區(qū)；內錯式布置巷道宜位于下部煤層采空區(qū)邊緣以內5 m范圍內(圖1位置4)，避免巷道進入煤層拉伸變形嚴重區(qū)域，致使圍巖破碎、難以保持穩(wěn)定[22]。內錯式布置巷道的另一種位置是避開采空區(qū)邊緣臺階錯動下沉帶的影響，盡量不處于煤層下沉盆地的傾斜邊界，而位于下沉盆地水平段(圖1位置5)，巷道至采空區(qū)邊緣的水平錯距應不小于20 m[23]。另外，用于瓦斯抽采的高位巷、底板巖巷可布置在斷裂帶、彎曲下沉帶的應力降低區(qū)內(圖1位置6、7)。

將巷道布置在采空區(qū)邊緣主要有2種方式：沿空掘巷與沿空留巷。沿空掘巷周圍巖層結構與應力分布如圖2所示[24]。沿空掘巷應沿已穩(wěn)定的采空區(qū)邊緣掘進，并設計合理的小煤柱寬度，保證巷道位于應力降低區(qū)(圖2中位置1為完全沿空掘巷，位置2為小煤柱沿空掘巷)。沿空留巷從掘進到報廢圍巖變形可分為6個階段：掘進影響→掘進影響穩(wěn)定→第1個采煤工作面超前影響→第1個采煤工作面后方強烈影響→后方影響穩(wěn)定→第2個采煤工作面超前影響等階段。只有在第5個階段，即第1個采煤工作面后方采空區(qū)上覆巖層活動穩(wěn)定后，沿空留巷才能處于比較低的應力狀態(tài)，選擇合理的圍巖控制方式，可有效控制沿空留巷變形與破壞[25]。

k—應力集中系數(shù)；γ—覆巖容重；H—埋深圖2 沿空掘巷圍巖結構及應力分布Fig.2 Rock structure and stress distribution of gob-side entry driving

將巷道布置在采空區(qū)內有采空區(qū)維護巷道和采空區(qū)掘進巷道等形式，如圖3所示。前者是在工作面后方采空區(qū)中，采用巷旁支護隔離出所需巷道或原位留下工作面穿過的巷道[26]；后者是在已壓實膠結的采空區(qū)重新掘進巷道。將巷道布置在采空區(qū)可使巷道處于應力降低區(qū)，但無論是采空區(qū)維護巷道還是掘進巷道，由于圍巖破碎、與采空區(qū)連通，均需要特殊的施工工藝及支護加固措施，實際應用時，需要根據(jù)具體條件確定。

圖3 采空區(qū)布置巷道的方式Fig.3 Pattern of entry layout in gob area

1.2 巷道圍巖近場卸壓法

巷道開挖以后，圍巖應力會在一定范圍重新分布，產生破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)，出現(xiàn)應力降低區(qū)、應力升高區(qū)。根據(jù)彈性力學理論，對于雙向等壓下的圓形巷道，在距巷道中心5倍巷道半徑的位置，圍巖切向應力比原巖應力只高出5%，一般認為是巷道的影響半徑。對于寬5 m、高3.5 m的矩形巷道，以外切圓半徑計算，巷道影響半徑為15.3 m?？紤]到巷道有一定范圍的破碎區(qū)、塑性區(qū)，影響范圍會更大，巷道影響半徑可達到20 m左右。筆者將此巷道影響范圍定義為巷道圍巖近場，超出該范圍則為巷道圍巖遠場。

在巷道圍巖近場實施的卸壓技術有切縫、鉆孔、爆破及掘卸壓巷等方法，如圖4所示。這些方法的卸壓機理與影響因素[27-30]為：

圖4 巷道圍巖近場卸壓方式Fig.4 Destressing pattern around near rock surrounding roadways

1) 在巷道淺部圍巖形成一定的變形空間，局部改變圍巖位移矢量方向與大小，減小圍巖向巷道空間的位移。

2) 卸壓的實施形成了局部應力場，改變了淺部圍巖的應力分布，將淺部圍巖的高應力向深部轉移，使更大范圍的圍巖承載。

3) 卸壓效果具有明顯的空間效應。切縫位置、形狀、方向、深度、寬度、有無充填，鉆孔位置、方向、直徑、深度、間排距，爆破位置、鉆孔布置與參數(shù)，卸壓巷位置、形狀與參數(shù)等，均對卸壓效果有明顯影響。

4) 卸壓效果具有明顯的時間效應。巷道開挖與卸壓技術實施的間隔時間顯著影響卸壓效果。對于掘巷期間就出現(xiàn)大變形的巷道，卸壓實施越早越好。另外，隨著時間加長，切縫、鉆孔有可能閉合，爆破區(qū)會逐步壓實，卸壓效果會隨時間推移而降低。

5) 卸壓效果具有方向效應。在巷道底板實施的卸壓技術有可能導致兩幫位移增大，同樣兩幫實施的卸壓技術也有可能導致頂?shù)装逦灰圃龃?，在卸壓方案設計時應綜合考慮。

1.3 巷道圍巖遠場卸壓法

如前所述，巷道圍巖遠場是指巷道影響半徑之外的范圍。巷道圍巖遠場卸壓法主要用于減小采煤工作面采動應力對巷道圍巖變形與破壞的影響。我國煤礦巷道80%以上是回采巷道，不同程度地受到采煤工作面的采動影響。即使是大巷、準備巷道，有的也會受采動應力作用，導致巷道圍巖大變形與破壞。因此，減輕采煤工作面采動應力對巷道的影響是采動巷道圍巖控制研究的重要內容，是煤礦巷道圍巖卸壓法的顯著特色。

巷道圍巖遠場卸壓法涉及范圍更廣，除巷道近場圍巖外，還包括采煤工作面上覆巖層分布，直接頂與基本頂強度、剛度與穩(wěn)定性，采煤方法與工藝，采高、工作面長度、推進速度等開采參數(shù)及巷道與采煤工作面的時空關系等。卸壓效果的影響因素遠多于不受采動影響的靜壓巷道。

目前，巷道圍巖遠場卸壓法主要有深孔爆破與水力壓裂2種方法，將在下面相關章節(jié)進行詳細論述。

2 爆破卸壓法

爆破卸壓法在煤礦井下已得到廣泛應用，在高應力、強采動巷道圍巖控制、沖擊地壓災害防治等方面起到重要作用。按照前述的巷道圍巖近場、遠場的定義，可將爆破分為巷道圍巖近場爆破和遠場爆破。

2.1 巷道圍巖近場爆破法

巷道圍巖近場爆破是指實施在淺部圍巖，爆破深度一般在15 m以內的爆破。按照卸壓原理可分為松動爆破和切縫爆破。前者是通過在爆破區(qū)形成粉碎區(qū)、裂隙區(qū)，使圍巖松動，原來處于高應力的圍巖卸載，降低圍巖應力分布的不均勻性，并使高應力向深部圍巖轉移；后者是采用聚能定向爆破，在設定的斷裂方向形成連續(xù)分布的定向裂縫而切斷頂板[31-32]，減小采煤工作面?zhèn)认锏郎喜繎翼攲鷰r變形的影響。按照爆破位置可分為頂板爆破、兩幫爆破、底板爆破，如圖4b所示。

爆破卸壓效果的影響因素包括鉆孔位置、長度、角度、間距，鉆孔裝藥量、封孔長度等。爆破鉆孔深度是一個關鍵參數(shù)，應深入到圍巖淺部的高應力區(qū)，其設計與圍巖強度、圍巖結構、圍巖應力及巷道斷面形狀與尺寸等多種因素有關。一般隨著巷道埋深、巷道寬度的增加，鉆孔長度應加長。在井下實際應用時，鉆孔深度少則2～3 m，多則5～8 m，有的超過10 m。鉆孔間距也是一個重要參數(shù)，比較合理的鉆孔間距應使爆破后形成的松動破碎區(qū)能連續(xù)分布。井下采用的鉆孔間距多為0.5～2.0 m。

對于定向切頂爆破，鉆孔深度與間距是關鍵參數(shù)，應保證在頂板中形成連續(xù)裂縫，而且爆破切頂后垮落的碎脹巖石能充滿采空區(qū)。已有的研究表明[33]，隨著切縫深度增加，巷幫上方巖層應力逐漸減小，而且切縫越深，應力越小。深切縫可有效控制巖層應力分布、應力峰值及峰值點距切縫邊緣的距離。山西一煤礦的實例分析得到，合理的切縫深度應能切斷距煤層頂板10～15 m的堅硬巖層，15 m是最佳的切縫深度。定向切頂爆破鉆孔深度一般為5～15 m，鉆孔間距多為0.5 m左右。

2.2 巷道圍巖遠場爆破法

巷道圍巖遠場爆破是指實施在圍巖深部，爆破深度超過巷道影響范圍的爆破。根據(jù)巷道影響半徑的估算結果，圍巖遠場爆破深度一般不小于15 m。與圍巖近場爆破類似，遠場爆破按照卸壓原理也可分為松動爆破和切縫爆破；按照爆破位置也可分為頂板爆破、兩幫爆破、底板爆破及多級次全斷面爆破[34]。

頂板深孔爆破作為堅硬頂板處理、強采動巷道圍巖控制及沖擊地壓防治的有效手段，已在井下大量應用[35]。通過頂板深孔松動爆破，可弱化巷道遠場堅硬、完整頂板，改變頂板巖層結構與應力分布，降低爆破范圍內圍巖應力水平，促使采空區(qū)頂板及時冒落，減小工作面初次來壓、周期來壓步距及強度，從而減輕對回采巷道的動壓影響。深孔定向切縫爆破與巷道圍巖近場爆破中所述的定向切縫爆破原理相同。與松動爆破相比，定向切縫爆破的鉆孔間距更小，以便切出要求的連續(xù)分布的定向裂縫。

巷幫煤層深孔爆破多為松動爆破，卸壓原理與巷道圍巖近場爆破相同，只不過要求的鉆孔深度更大，應力轉移的范圍更大。

底板深孔爆破多應用于巷道底鼓控制及沖擊地壓防治。通過松動爆破在巷道底板形成卸壓區(qū)，原來承受高應力的圍巖應力、積聚的彈性能得以釋放，使高應力區(qū)向圍巖深部轉移，達到減小底鼓、防治沖擊地壓發(fā)生的目的。

在沿空留巷過程中，為解決堅硬頂板帶來的礦壓問題而進行的頂板深孔爆破應用實例[36]如圖5所示。頂板爆破鉆孔分2種：沿工作面傾向、走向方向鉆孔。傾向鉆孔深度比較大，主要是松動爆破，減小工作面來壓強度與步距。超前工作面每隔30 m布置1組3個鉆孔，鉆孔深度分別為81、59、16 m，仰角分別為14°、21°、39°，與巷道軸線的夾角分別為80°、80°、25°。走向鉆孔深度相對較小，為20～36 m，與巷道軸線的夾角不超過10°。每隔60 m在煤幫側開挖鉆場，沿鉆場兩側分別布置6個鉆孔實施爆破切頂。上述爆破卸壓方案實施后，明顯減小了工作面周期來壓步距及強度，沿空留巷圍巖應力狀態(tài)得到顯著改善，圍巖變形與破壞得到有效控制。

圖5 沿空留巷爆破卸壓鉆孔布置[36]Fig.5 Layout of destressing blasting boreholes for gob-side entry retaining[36]

3 水力壓裂卸壓法

水力壓裂技術較早應用于油氣田開發(fā)，通過壓裂儲層提高滲透性，以提高油氣產量與采收率。目前，水力壓裂技術已廣泛應用于其他領域，包括地應力測量、煤層氣開發(fā)、地熱開發(fā)及CO2封存等。

在煤礦開采中，水力壓裂技術主要應用于瓦斯抽采中的低滲透煤層壓裂增透，及巖層控制中的采煤工作面堅硬完整頂板弱化，高應力、強采動巷道圍巖控制及沖擊地壓防治[37-38]。最近幾年，水力壓裂圍巖卸壓技術發(fā)展迅速，取得大量研究成果[39-40]。2008年以來，中煤科工開采研究院有限公司(煤炭科學研究總院開采研究分院)在國家863計劃、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等項目的資助下，開展了包括水力壓裂裂縫擴展規(guī)律、水力壓裂卸壓機理、卸壓方案與參數(shù)設計、壓裂機具與設備及壓裂效果檢測等在內的煤礦井下水力壓裂圍巖卸壓成套技術集中攻關，取得系列研究成果[41-48]，并在多個礦區(qū)得到成功應用。

水力壓裂圍巖卸壓技術按實施的地點分為地面壓裂和井下壓裂。井下壓裂按壓裂規(guī)模又分為井下區(qū)域壓裂和局部壓裂。按照壓裂巖層層位可分為高位、中位及低位壓裂：高位壓裂達到上位斷裂帶甚至彎曲下沉帶；中位壓裂達到中位斷裂帶；下位壓裂在下位斷裂帶及以下層位。下面主要以中煤科工開采研究院有限公司取得的研究成果為主，論述圍巖水力壓裂卸壓技術。

3.1 地面水力壓裂法

煤礦地面水力壓裂是在借鑒油氣行業(yè)壓裂技術的基礎上發(fā)展起來的。于斌等[49-50]提出煤礦頂板地面水力壓裂控制采煤工作面與巷道礦壓的方法，從地面向采煤工作面100 m以上的高位堅硬頂板實施壓裂，如圖6所示，在堅硬巖層中形成裂縫網絡，降低巖層強度和完整性，使堅硬頂板巖層在工作面采后易于垮落，從而減小工作面礦壓顯現(xiàn)及對回采巷道的采動影響。

按照鉆孔布置，地面壓裂可分為垂直孔壓裂和水平孔壓裂(圖6)。水平孔壓裂根據(jù)鉆孔軸線方向與采煤工作面推進方向的關系，又分為平行、垂直及斜交工作面推進方向3種情況。大同礦區(qū)地面水力壓裂堅硬頂板的實踐表明[49]：垂直孔分級壓裂裂縫擴展長度達250 m，水平孔分段壓裂裂縫擴展長度為196～216 m，裂縫高度為43～50 m，裂縫可覆蓋整個采煤工作面范圍。壓裂后工作面液壓支架阻力降低21%，煤壁片幫率減少23%，回采巷道變形明顯減小，取得良好的卸壓效果。

圖6 地面水力壓裂堅硬頂板示意[49]Fig.6 Schematic diagram of hard roof hydraulic fracturing from ground surface [49]

與井下水力壓裂相比，地面壓裂空間大，可采用大型壓裂設備，壓力高、流量大，可壓裂高位巖層，水力裂縫擴展范圍大，可覆蓋采煤工作面甚至更大范圍的巖層。缺點是地面壓裂設備比較昂貴，地面施工需要比較大的場地及交通、運輸?shù)仍O施，不像井下施工比較靈活。

3.2 井下區(qū)域水力壓裂法

井下區(qū)域水力壓裂在井下巷道或專門的鉆場中實施。采用定向鉆機在采煤工作面或巷道上方堅硬、完整巖層中鉆進長水平孔，有時還需要射孔，然后進行分段壓裂，起到弱化巖層、促進采后及時垮落及卸壓的作用[51-52]。井下區(qū)域水力壓裂鉆孔布置有多種方式，如圖7所示。常用的壓裂鉆孔布置方式是在與工作面推進方向垂直的巷道(如回撤通道)中，或在回采巷道中開掘專門的鉆場，向目標巖層鉆進水平孔(圖7a)。在鉆孔達到目標巖層高度前，需要鉆進爬坡拐彎段鉆孔，長度一般為100～150 m。水平孔的長度可達500～1 000 m。鉆孔的間排距根據(jù)壓裂巖層的厚度、巖性、強度、結構、地應力等巖層條件，及壓裂工藝、參數(shù)、壓裂設備的能力等確定，以形成有效的裂隙網絡。另一種壓裂鉆孔布置方式是在工作面上方壓裂巖層中布置專門的壓裂措施巷(圖7b)，巷道可垂直工作面推進方向布置，在巷道兩側鉆進壓裂孔，每側鉆孔深度可達1 000 m，兩側鉆孔可覆蓋范圍達2 000 m，實現(xiàn)工作面上方大范圍區(qū)域壓裂。

圖7 井下區(qū)域水力壓裂鉆孔布置Fig.7 Borehole layout of regional hydraulic fracturing in underground coal mines

井下長水平孔壓裂也可僅在巷道上方實施，在頂板壓裂目標層中沿巷道軸線鉆進長水平孔，進行分段壓裂，使長500～1 000 m的巷道卸壓。陜西彬長礦區(qū)胡家河煤礦回采巷道水平長鉆孔水力壓裂卸壓布置如圖8所示。共布置4個鉆孔，1、2號鉆孔和3、4號鉆孔分別位于回風巷、運輸巷兩側的上部頂板砂巖中，距煤層高度分別為28、33 m。為了揭示區(qū)域壓裂裂縫擴展形態(tài)，采用Xsite軟件[53-54]建立數(shù)值計算模型，分析了單個鉆孔(4號鉆孔)壓裂裂縫三維擴展特征。模型依據(jù)胡家河煤礦地應力測試結果及砂巖力學參數(shù)建立。模型尺寸為x×y×z=100 m×40 m×80 m。其中：x軸為東西向，y軸為南北向，z軸為垂直方向。模型為均質砂巖，未考慮巖性變化和結構弱面，主要用以分析主裂縫的擴展方向。模擬結果如圖9所示。主裂縫近似為垂直縫，裂縫壁面近似垂直南北向，裂縫走向近似為東西向。通過與主應力方向比較，壓裂裂縫宏觀方位仍受地應力場控制。裂縫面近似垂直于最小主應力方向，以起裂點為中心在最小主應力法平面內向四周展布。裂縫擴展較為均勻，近似為較規(guī)則的橢圓狀?？梢?，壓裂裂縫可在一定范圍內切斷堅硬頂板巖層，減小堅硬巖層懸頂長度，降低作用在巷道的支承壓力，保護巷道。

圖8 彬長礦區(qū)胡家河煤礦回采巷道區(qū)域水力壓裂鉆孔布置Fig.8 Borehole layout of regional hydraulic fracturing for gateways in Hujiahe Coal Mine,Binchang Mining Area

圖9 回采巷道區(qū)域水力壓裂裂縫擴展數(shù)值模擬結果Fig.9 Numerical simulation results of regional hydraulic fracturing propagation for gateways

另外，除專門鉆進水力壓裂鉆孔外，也可利用已有瓦斯抽采鉆孔進行水力壓裂卸壓，實現(xiàn)抽卸結合、一孔多用，減少鉆孔工程量[17]。

與地面壓裂相比，井下區(qū)域壓裂不需要地面場地，壓裂設備體積相對較小，從巷道(鉆場)到壓裂目標層的鉆孔工程量少，可根據(jù)井下采煤工作面與巷道布置情況靈活選擇壓裂施工地點，壓裂巖層層位也能達到較大高度，壓裂覆蓋面積也能達到較大范圍。

3.3 井下局部水力壓裂法

井下局部水力壓裂是在巷道中實施。采用普通鉆機向采煤工作面或巷道上方目標巖層鉆進傾斜鉆孔并分段壓裂，起到弱化頂板、巷道卸壓的作用。與前述地面壓裂、井下區(qū)域壓裂相比，井下局部壓裂的鉆孔深度較小，壓裂巖層的層位較低，壓裂范圍較小。但是由于施工設備體積較小、重量較輕，施工比較靈活方便。井下局部水力壓裂鉆孔基本上都是直孔。根據(jù)在鉆孔中是否設置定向槽(縫)可分為普通壓裂和定向壓裂。前者鉆孔后即進行分段壓裂，不設置定向槽(縫)，裂縫擴展方向很多與鉆孔軸線平行，有時并不是預期方向；后者采用切槽鉆頭或高壓水射流在鉆孔中形成與鉆孔軸線垂直的槽或縫[55-56]，然后分段壓裂，使壓裂裂縫沿著切槽或縫的方向擴展，達到定向壓裂的目的。

根據(jù)井下局部水力壓裂的作用，可分為采煤工作面弱化和巷道卸壓2類，如圖10所示。采煤工作面頂板壓裂可在開切眼中進行，主要用于初次放頂[57-58]；也可在回采巷道中實施，減輕工作面礦壓顯現(xiàn)，而且對回采巷道的穩(wěn)定性也有利。

圖10 井下局部水力壓裂鉆孔布置方式Fig.10 Borehole layout of local hydraulic fracturing in underground coal mines

巷道卸壓按壓裂地點可分為本巷壓裂與鄰巷壓裂。本巷壓裂是超前采煤工作面在回采巷道靠煤體一側鉆進與巷道軸線呈小角度的向上傾斜鉆孔，同時在工作面?zhèn)纫部刹贾勉@孔進行壓裂，使工作面采過后頂板能及時垮落，減小工作面后方及側向的懸頂長度，從而減輕工作面超前支承壓力范圍與大小[59]。對于沿空留巷，可在設置巷旁支護的一側向頂板傾斜鉆孔并分段壓裂，切斷或弱化完整、堅硬頂板，使巷旁支護外側的懸頂長度減小，降低基本頂回轉引起的巷道頂板下沉量及巷旁支護載荷[60]。鄰巷壓裂是在被保護巷道的相鄰巷道中進行壓裂，多用于工作面多巷布置的復用巷道。采用UDEC數(shù)值模擬軟件計算得到的巷道頂板有無水力壓裂卸壓的應力分布如圖11所示。無壓裂時，在煤柱、巷道左上方頂板均出現(xiàn)了很高的應力集中。水力壓裂后，煤柱中的高集中應力區(qū)幾乎消失，左上方頂板中的應力集中區(qū)域也明顯縮小，使高應力轉移到壓裂區(qū)上方，起到保護巷道的作用。同時，壓裂區(qū)頂板巖層裂紋擴展發(fā)育，有利于采空區(qū)上方頂板及時垮落。

圖11 巷道有無水力壓裂的圍巖應力分布Fig.11 Rock stress distribution around entry before and after hydraulic fracturing

水力壓裂卸壓效果取決于壓裂鉆孔布置方式及參數(shù)、是否切槽(縫)、壓裂參數(shù)及工藝等。局部壓裂常用的鉆孔長度為20～50 m，鉆孔間距10～15 m，鉆孔與巷道軸線的夾角和仰角根據(jù)具體情況確定。為保證壓裂不影響巷道錨桿、錨索支護效果，鉆孔最下端的壓裂段必須高于錨索錨固層位。

4 應用實例分析

4.1 井下區(qū)域水力壓裂應用實例

4.1.1地質與生產條件

井下區(qū)域水力壓裂試驗地點為陜西煤業(yè)化工集團榆北煤業(yè)公司曹家灘煤礦122108工作面。該工作面開采2-2煤層，埋深255～338 m，煤層厚度8.08～12.36 m。采用綜放開采方法，割煤高度6 m，按煤層厚度10 m計算，放煤高度4 m,煤層頂板巖層分布如圖12所示。頂板砂質泥巖、粉砂巖強度較低，而砂巖層的強度較高且完整，煤層頂板0～43 m、60～120 m處存在厚硬巖層。

圖12 曹家灘煤礦2-2煤層頂板巖層分布Fig.12 Roof strata distribution of coal seam 2-2 in Caojiatan Coal Mine

工作面初采時，初次來壓步距達150 m以上；正?；夭善陂g，部分地段周期來壓顯現(xiàn)強烈，強動載形成沖擊，造成部分支架損壞，回采巷道出現(xiàn)明顯變形。為此，開展了特厚煤層特厚堅硬頂板區(qū)域壓裂技術研究，為工作面安全、高效開采提供保障。

4.1.2區(qū)域水力壓裂設計

122108工作面礦壓顯現(xiàn)強烈的本質原因是開采煤層厚度大，上覆多層堅硬、完整巖層不易及時垮落，造成大面積懸頂。因此，工作面強礦壓治理首先應找準壓裂的目標層，然后設計合理的鉆孔布置及壓裂參數(shù)，通過水力壓裂改造目標層，達到控制強礦壓的目的。

頂板巖層原位地質力學參數(shù)測試，是確定壓裂目標層及壓裂參數(shù)的基礎，為此開展了頂板巖層強度測試，巖層鉆孔窺視，地應力測量及小型水力壓裂測試。巖層原位強度測試及鉆孔窺視結果表明，粉砂巖抗壓強度20～30 MPa，砂巖單軸抗壓強度多在50～60 MPa，且砂巖頂板層理不發(fā)育，致密、完整。地應力測量結果為：最大水平主應力σH為24.9 MPa，最小水平主應力σh為13.4 MPa，垂直應力σv為8.1 MPa，地應力場類型屬于σH>σh>σv，水平應力占優(yōu)勢，壓裂過程中水平裂縫擴展更容易。小型水力壓裂測試鉆孔直徑95 mm，仰角76°，孔深100 m，分段、分層位測試頂板巖層的壓裂曲線，確定巖層的可壓性。

基于上述地質力學參數(shù)原位測試及小型水力壓裂測試結果，綜合考慮各種因素，確定壓裂目標層位共3個：距離煤層頂板10、23、38 m。壓裂鉆孔布置如圖13所示。壓裂范圍沿工作面走向共1 000 m，分2期施工，每期500 m。在正常地段距離煤層頂板10、23、38 m層位分別布置1排鉆孔，共3排鉆孔，鉆孔數(shù)量分別為6、5、6。在回風巷上方布置2個鉆孔，在主運輸巷上方附近也布置了2個鉆孔。另外在回撤通道附近頂板布置了3個鉆孔。總工程量為：7個鉆壓場，38個定向鉆孔，鉆孔進尺18 654 m。

圖13 曹家灘煤礦井下區(qū)域水力壓裂鉆孔布置Fig.13 Borehole layout of regional hydraulic fracturing in Caojiatan Coal Mines

采用的定向鉆孔和壓裂設備主要包括履帶式全液壓定向鉆機、大流量高壓泵、壓裂工具串、工況監(jiān)測、安全監(jiān)控儀器等。

4.1.3區(qū)域水力壓裂效果分析

1) 水力壓裂縫網展布分析。為分析區(qū)域水力壓裂縫網展布情況，采用地面微震儀實時監(jiān)測了壓裂過程，共使用25臺微震儀，監(jiān)測井下范圍為：傾向長度280 m×走向長度1 000 m。圖14是F1鉆壓場4個鉆孔(F1-1、F1-2、F1-3、F1-5)的縫網展布圖。圖中不同顏色代表壓裂破裂釋放能量與背景噪音能量之比。裂縫在鉆孔兩側、前后及上下均有一定范圍的擴展，其中以在平面內擴展為主。F1-1鉆孔壓裂孔段長218 m，最大破裂長度約340 m?？p網展布在鉆孔兩翼，兩翼平均長度約80 m。

圖14 曹家灘煤礦井下區(qū)域水力壓裂縫網展布圖Fig.14 Fracture network spread distribution of regional hydraulic fracturing in Caojiatan Coal Mine

2) 水力壓裂卸壓效果分析。為合理評價區(qū)域水力壓裂卸壓效果，采用工作面礦壓監(jiān)測預警平臺、鉆孔應力計、井下微震監(jiān)測系統(tǒng)等對工作面周期來壓情況，液壓支架工作阻力及動載系數(shù)，工作面超前支承壓力，工作面頂板下沉及采高變化，回采巷道圍巖變形情況進行了監(jiān)測。工作面壓裂前后礦壓監(jiān)測結果及對比分析見表2。

注：括號內為降幅百分比。

可見，壓裂后工作面周期來壓步距、持續(xù)距離減小，強動載來壓大幅降低，液壓支架工作阻力、動載系數(shù)及超前支承壓力均有不同程度的降低。頂板下沉量減小0.8～1.0 m，采高基本保持在5 m以上。頂板破斷的微震監(jiān)測結果表明：壓裂前，超前工作面200 m范圍內，微震事件頻次為12.37個/m，單次來壓微震事件平均97.75個；壓裂后，超前工作面100 m

范圍內，微震事件頻次為6.23個/m，單次來壓微震事件平均41.67個。壓裂后，頂板破斷頻次降低，頂板超前破斷距離減小，大能量事件降低53.5%。

回采巷道圍巖變形以底鼓為主，主要發(fā)生在超前回采工作面50 m左右的范圍內。采用區(qū)域水力壓裂技術后，巷道底鼓量減小1/3以上，維護狀況得到明顯改善。

綜上所述，區(qū)域水力壓裂技術有效控制了工作面強礦壓，顯著降低了液壓支架損壞率，并有利于回采巷道維護，為工作面安全、高效生產提供了保障。

4.2 井下局部水力壓裂應用實例

井下局部水力壓裂試驗地點為伊泰紅慶河煤礦3-1101工作面，巷道布置如圖15a所示。工作面布置3條回采巷道，其中輔助運輸巷復用。巷道埋深700 m 左右，開采煤層平均厚度7 m。煤層直接頂為厚9.2 m 的粉砂巖，之上依次為厚14.6 m的細砂巖、厚5.7 m的礫巖及厚21 m的中砂巖，其中細砂巖、礫巖比較堅硬、完整。

圖15 紅慶河煤礦工作面巷道與水力壓裂鉆孔布置Fig.15 Layout of gateways and hydraulic fracturing boreholes in Hongqinghe Coal Mine

運輸巷與輔助運輸巷均為矩形斷面，寬度5.9 m，高度4 m，采用錨桿、錨索支護。兩者之間的煤柱寬度為30 m。由于輔助運輸巷受本工作面超前和滯后采動、下一個工作面超前采動影響，圍巖變形大，底鼓嚴重，僅采用增加支護密度、錨桿錨索強度的方法很難有效控制巷道大變形?？紤]到煤層頂板存在厚硬巖層，本工作面采過后靠煤柱側上方的懸頂不易垮落，將集中應力施加在煤柱上，是導致輔助運輸巷變形破壞的主要原因，為此，開展了水力壓裂弱化堅硬頂板的試驗。

壓裂試驗巷道長度1 000 m，壓裂鉆孔布置在運輸巷靠輔助運輸巷一側的煤柱旁，超前工作面一定距離實施。根據(jù)煤層頂板巖層分布確定鉆孔和壓裂參數(shù)。沿運輸巷軸向鉆孔，與其軸線的夾角為5°，鉆孔間距10 m。鉆孔直徑58 mm，長50 m，傾角50°，壓裂高度為煤層頂板以上35.3 m(圖15b)，覆蓋了細砂巖、礫巖及部分中砂巖。采用后退式單孔多次壓裂，距孔口垂直距離9 m停止，以保護錨桿錨索支護。采用的壓裂設備包括高壓注水泵、高壓跨式封孔器、水壓與流量采集儀等。

對未壓裂和壓裂的輔助運輸巷進行了礦壓監(jiān)測，包括煤柱應力、輔助運輸巷圍巖變形等。煤柱應力監(jiān)測結果如圖16所示。未壓裂段，至工作面60 m應力顯著增加，采過36 m最大，后迅速降低，最大應力集中系數(shù)為2.9；壓裂段，至工作面70 m應力增加，采過130 m達到最大，最大應力集中系數(shù)2.3，明顯小于未壓裂段。巷道變形監(jiān)測結果表明：未壓裂段，頂板下沉、底鼓和兩幫移近量分別為295、1 200、725 mm；壓裂段，頂板下沉、底鼓和兩幫移近量分別為190、300、475 mm，分別降低35.6%、75%、34.5%?？梢?，水力壓裂卸壓控制輔助運輸巷變形的效果比較顯著。

圖16 紅慶河煤礦回采巷道有無水力壓裂煤柱應力分布Fig.16 Coal pillar stress distribution along gateway with and without hydraulic fracturing in Hongqinghe Coal Mine

5 結論與展望

卸壓法是高應力、強采動巷道圍巖控制的有效手段。經過多年的研究與實踐，已形成了包括巷道布置法、巷道圍巖近場卸壓法及遠場卸壓法在內的巷道圍巖卸壓技術體系。將巷道布置在應力降低區(qū)是首選的、最有效的卸壓法，可根據(jù)具體條件將巷道布置在采空區(qū)下方、上方、邊緣及采空區(qū)內。巷道圍巖近場卸壓主要有切縫、鉆孔、爆破及掘卸壓巷等方法，通過在淺部圍巖形成一定的變形空間，減小圍巖向巷道空間的位移，同時將淺部圍巖高應力轉移到深部，使更大范圍的圍巖承載。巷道圍巖遠場卸壓法主要采用深孔爆破、水力壓裂等方法，通過切斷或弱化頂板減小工作面采動應力對巷道圍巖變形與破壞的影響。這些方法已經不同程度地應用于煤礦井下，多個礦區(qū)取得較好的圍巖控制效果。特別是水力壓裂技術，近年來得到比較廣泛的應用，成為采煤工作面堅硬頂板弱化、強采動巷道圍巖卸壓的有效措施。

盡管巷道圍巖卸壓理論與技術取得了長足發(fā)展，也解決了很多巷道圍巖控制難題，但隨著煤礦開采深度、強度不斷增加，對卸壓技術提出更高的要求，還需繼續(xù)研究與實踐。主要包括以下方面：

1) 研發(fā)巷道卸壓技術實驗室模擬試驗平臺，試驗研究不同卸壓方式，特別是爆破、水力壓裂等對圍巖弱化及應力轉移的作用。

2) 進一步研究不同卸壓法的卸壓機理。如對于水力壓裂技術，裂縫擴展形態(tài)非常復雜，且受多種因素影響。應進一步研究水力壓裂裂縫開啟、擴展規(guī)律，及巖層強度、結構、滲透性及地應力等參數(shù)對裂縫擴展的影響。從時間和空間上深入研究水力壓裂對高應力、強采動巷道圍巖應力轉移和調控的機理。

3) 進一步研究不同卸壓法的適應條件。不同的卸壓法適用于不同的巷道條件。井下實踐中發(fā)現(xiàn)，有些卸壓法在一定條件下效果良好，但巷道圍巖地質條件發(fā)生變化后，卸壓效果就會變差。有的卸壓法在實施初期卸壓效果明顯，但隨著時間的推移，卸壓作用越來不明顯。應從時間和空間上進一步深入研究各種卸壓法的適應性。

4) 目前，各種卸壓法方案與參數(shù)設計主要依靠經驗，還處于定性設計階段。應在深入研究各種卸壓法卸壓機理的基礎上，進一步提高卸壓法設計的科學性、合理性和準確性，逐步實現(xiàn)卸壓參數(shù)的定量化設計。

5) 各種卸壓法不同程度地存在施工工藝復雜、施工速度低等問題。應進一步優(yōu)化施工工藝，開發(fā)自動化、智能化卸壓施工機具與設備，減少現(xiàn)場作業(yè)人員，提高卸壓施工速度、效率與效果。

6) 卸壓效果的分析評價還存在很多問題。如對于水力壓裂技術，目前還沒有準確監(jiān)測裂縫起裂、擴展的儀器，急需開發(fā)裂縫擴展方向、路徑、開度等裂縫參數(shù)的監(jiān)測方法及設備，以便能夠準確評價水力壓裂效果。

7) 目前還很少有卸壓法的相關標準與規(guī)范，卸壓方案與參數(shù)設計、施工、監(jiān)測、效果評價等沒有統(tǒng)一的規(guī)定，不利于井下推廣應用和施工標準化、規(guī)范化，應加快卸壓法標準與規(guī)范的制訂。

8) 不斷探索新的卸壓法，擴大卸壓法的應用范圍。如針對受水影響明顯的巖層，可研發(fā)應用無水壓裂技術，包括超臨界CO2、N2等氣體壓裂技術。