原明帥

(山西汾河焦煤股份有限公司 三交河煤礦，山西 洪洞 041600)

三交河煤礦位于霍西煤田西南部，是霍州煤電集團的主力生產(chǎn)礦井，主采煤層有2#、10#和11#煤，10#煤是該礦的重點開采煤層。根據(jù)目前礦井10#煤層已正常回采的2個工作面的現(xiàn)場施工情況看，主要存在兩個問題：1) 10#煤層在回采期間，回采工作面上、下隅角垮落不及時造成懸頂面積過大。2) 鄰近工作面在掘進期間受采空區(qū)動壓影響較大造成巷道變形、頂板下沉有裂隙、局部片幫等現(xiàn)象，采用錨桿聯(lián)合錨索的支護方式不能有效控制頂板。因此，采用水力壓裂切頂卸壓技術對該礦10-2011巷上方頂板進行切頂卸壓，以解決10-201工作面上、下隅角懸頂面積過大及鄰近10-2032巷掘進期間的支護難題。

1 10-201工作面基本情況

1.1 工作面布置

10-201工作面走向長為1 589 m，2017年6月開始回采，設計的相鄰工作面為203和205工作面。10-2011巷與10-2032巷之間留設保護煤柱30 m，10-2032巷于2017年11月開始掘進，并于2017年 8月在10-2011巷1 300 m處開展水力壓裂技術對頂板進行定向壓裂，降低鄰近10-2032巷的支護難度。10-201及鄰近工作面布置圖見圖1.

1.2 地質力學測試參數(shù)

對10-2011巷進行了兩個測站圍巖地質力學測試，第一測站的最大水平主應力為8.58 MPa，最小水平主應力為4.45 MPa，垂直應力為6.66 MPa；第二測站的最大水平主應力為7.86 MPa，最小水平主應力為4.29 MPa，垂直應力為6.57 MPa.

1.3 支護方式

1) 10-2011巷支護方式。

凈斷面為寬3.8 m×高2.5 m，頂板采用錨網(wǎng)梁、錨索、鋼板聯(lián)合支護，錨桿“五·五”布置，間排距900 mm×1 000 mm，肩角錨桿距幫200 mm；錨索“二·一·二”布置于頂板正中，間排距1 800 mm×3 000 mm；幫部采用錨網(wǎng)梁支護方式，錨桿“二·二”布置，間排距1 200 mm×1 200 mm，最上一根錨桿距頂200 mm,巷內布置有皮帶。

圖1 10-201及鄰近工作面布置圖

2) 10-2032巷支護方式。

凈斷面為寬4.0 m×高2.9 m，頂板采用錨網(wǎng)、鋼帶、錨索聯(lián)合支護，頂錨索“四·四”布置，其中“一·四”施工短錨索d21.6 mm×5 200 mm，“二·三”施工長錨索d21.6 mm×8 200 mm，第一、二根間距為1 125 mm，第二、三根間距為1 350 mm，第三、四根間距為1 125 mm，排距為1 000 mm，肩角錨索距幫部300 mm；幫錨桿“三·三”布置，全部上鋼護板，間排距800 mm×1 000 mm，第一根幫錨距頂板300 mm，底腳錨桿距底板1 100 mm.

2 水力壓裂技術

2.1 動力來源

10-201工作面回采后，采空區(qū)上方巖層重量將開始向四周支承區(qū)進行轉移，并在其周圍形成支承壓力帶。受采動影響，沿10-201工作面推進方向，回采空間兩側煤柱的應力與工作面的距離不同，其影響程度也不同。遠離工作面的前方是未受采動影響的原始應力區(qū)；在工作面附近為受采動影響的應力增高區(qū)；遠離工作面的后方，采動影響趨向穩(wěn)定。因此，在10-201工作面回采期間，10-2011巷及10-2011巷與10-2032巷之間的保護煤柱上方往往賦存著較大的支承壓力，載荷的急劇增長使10-2032巷容易出現(xiàn)變形、巷道片幫、底鼓以及頂板出現(xiàn)裂隙等壓力顯現(xiàn)現(xiàn)象。

2.2 卸壓技術

受10-201工作面采動影響，10-2011巷及其保護煤柱賦存的支承壓力是10-201工作面及鄰近巷道產(chǎn)生動壓的主要原因。水力壓裂技術通過在鉆孔壓裂段預制裂縫，控制水力壓裂裂紋擴展方向使10-201工作面頂板巖層定向壓裂，破壞頂板巖層的完整性，削弱頂板的強度和整體性：1) 可以使采空區(qū)頂板能夠分層分次、及時垮落，且能夠縮短初次來壓和周期來壓步距。2) 可以將10-2011巷附近的高應力削弱或轉移，降低應力的集中程度，使10-2032巷處于低壓區(qū)。

2.3 水力壓裂優(yōu)點

1) 水力壓裂控制10-201工作面堅硬難垮頂板是在井下進行切頂卸壓，該技術能夠適應井下作業(yè)空間狹小的條件。

2) 10-201工作面推進速度較快，而水力壓裂切頂卸壓技術能夠快速實施，確保頂板及時垮落。

3) 水力壓裂切頂卸壓技術不會對10-201工作面的回采工藝產(chǎn)生干擾。

4) 與其他控頂技術相比，水力壓裂切頂卸壓技術安全性好，且施工鉆孔數(shù)量少，作業(yè)速度相對較快。

水力壓裂技術具有能夠定向切割頂板巖層，削弱巖層的整體性和穩(wěn)定性，削弱煤巖體承載的高應力，使巷道或工作面處于低應力區(qū)域的特點。且該技術安全性高、工程量小、適應性強。因此，三交河煤礦采用水力壓裂技術對10-2011巷頂板進行卸壓。

3 現(xiàn)場工業(yè)性試驗

3.1 施工設計

為避免影響10-201工作面正常生產(chǎn)，試驗位置應超前工作面80～120 m. 壓裂鉆孔布置于10-2011巷行人側，采用ZDY650鉆機配合鉆頭d56 mm、鉆桿d42 mm、長1.5 m的鉆桿進行施工。鉆孔間距為7 m，鉆孔長度為28～34 m，平均30 m，仰角為50°，鉆孔與煤柱夾角為0°.

采用后退式單孔多次壓裂，每隔2 m壓裂一次，壓裂到距孔口12 m處停止壓裂。壓裂時間30 min，根據(jù)水壓變化和巖層出水情況調整，鉆孔施工和鉆孔壓裂平行作業(yè)，間距不小于40 m.

3.2 壓裂工藝

1) 高壓注水泵安裝、調試好后連接注水鋼管，然后將封孔器送至預定位置。

2) 手動泵給封孔器加壓，壓力達到12～16 MPa后停止加壓，觀察鉆孔及壓力表，保證封孔器工作正常。

3) 作業(yè)設備附近區(qū)域必須保證支護完好，頂板安全可靠。作業(yè)前設置警戒，壓裂期間禁止其他人員通行。

4) 高壓水泵先通水再通電，慢慢加壓并記錄水泵、手動泵壓力表數(shù)據(jù)，鄰近鉆孔出水后，即可停止。

5) 完成單孔多次壓裂作業(yè)。

3.3 移動鉆機方式

鉆眼、壓裂結束后采用手動葫蘆或2T膠輪車將鉆機移至下一個眼位進行施工。

4 效果監(jiān)測

4.1 10-2011巷壓裂效果監(jiān)測

對10-2011巷進行現(xiàn)場試驗，共試驗144組，壓裂次數(shù)144次，在1#—144#孔壓裂過程中，相鄰鉆孔均出現(xiàn)出水情況，說明巖層裂隙貫通。

4.2 10-201工作面現(xiàn)場跟蹤

在10-201工作面回采期間，對工作面下隅角懸頂情況進行跟蹤，通過壓裂前后下隅角垮落情況對比可知，經(jīng)過水力壓裂的下隅角懸頂面積明顯小于未經(jīng)過水力壓裂的下隅角懸頂面積，10-201工作面下隅角頂板及時垮落，說明通過水力壓裂使頂板出現(xiàn)裂隙，破壞了頂板巖層的完整性，該技術對下隅角垮落狀態(tài)起到了關鍵作用。

4.3 10-2032巷現(xiàn)場跟蹤

在10-2032巷道掘進期間，對巷道的穩(wěn)定情況進行不間斷跟蹤。10-2011巷第一個切頂眼位置在距離10-2032巷開口1 228 m處，10-2032巷在0～1 228 m安裝38組頂板離層儀及測力計用于監(jiān)測頂板壓力情況。其中，1#—38#頂板離層儀未發(fā)生離層，1#—38#測力計較初安值增大0～50 kN，相對較為穩(wěn)定，巷道頂板采用錨網(wǎng)索支護能夠有效控制頂板。

在10-2032巷1 228～1 500 m頂板出現(xiàn)裂隙、錨索破斷等不同程度的壓力顯現(xiàn)現(xiàn)象。在壓力增大區(qū)安設的39#頂板離層儀初安時，深、淺基點讀數(shù)均為0，隨著時間變化，深基點讀數(shù)變?yōu)?4 mm，淺基點讀數(shù)變?yōu)?9 mm. 39#測力計初次安裝時，2天內讀數(shù)由150 kN變?yōu)?80 kN,達到最大量程。為進一步判斷頂板壓力顯現(xiàn)情況，后期補安測力計，初安值為120 kN,隨著時間變化，讀數(shù)增大為250 kN. 39#頂板離層儀數(shù)值變化曲線見圖2，39#測力計數(shù)值變化曲線見圖3.

圖2 頂板離層儀數(shù)值變化曲線圖

圖3 測力計數(shù)值變化曲線圖

現(xiàn)場采用架棚、補打錨索、支設單體柱等方式進行補強支護，但該范圍局部棚梁斷裂、頂板破碎，后期采用注漿加固的方式增加頂板整體強度和承載能力。

通過對比分析，10-201工作面回采以后，采空區(qū)上方巖層重量將向鄰近工作面10-2032巷轉移，受采空區(qū)動壓影響，導致1 228～1 500 m段頂板壓力變大，頂板破碎后出現(xiàn)離層現(xiàn)象。相反，在0～1 228 m段，由于10-2011巷上方頂板進行切頂卸壓，減輕10-201回采面?zhèn)认蛑С袎毫ο蛄硪粋鹊膫鬟f，為10-2032巷掘進創(chuàng)造良好的應力環(huán)境。

根據(jù)10-2032巷掘進期間的頂板受力對比，10-2011巷切頂卸壓技術能夠減輕回采期間向10-2032巷的壓力傳遞，降低了10-2032巷的支護難度。

5 結 論

1) 水力壓裂切頂卸壓技術能夠破壞10-201工作面頂板的完整性，使頂板巖層裂隙貫通。

2) 根據(jù)10-201工作面切頂前后下隅角懸頂面積對比可知，水力壓裂后頂板及時垮落?？梢?，水力壓裂技術對下隅角垮落狀態(tài)起到了關鍵作用，能夠解決回采工作面上、下隅角的懸頂面積過大的問題。

3) 根據(jù)10-2032巷掘進期間的頂板受力對比可知，10-2011巷切頂卸壓技術能夠減輕10-201工作面回采期間向10-2032巷的壓力傳遞，降低了10-2032巷的支護難度。

4) 水力壓裂技術能夠減弱回采工作面采空區(qū)壓力向側向傳遞，為礦井開展小煤柱開采及沿空掘巷積累了經(jīng)驗。