溫千峰

(山西焦煤集團有限責任公司 官地煤礦， 山西 太原 030022)

煤炭開采過程中，采區(qū)巷道承擔著整個采區(qū)的運輸、行人、回風等任務，一般服務年限較長，當兩翼回采工作面停采后，工作面采動超前應力往往會對采區(qū)巷道造成一定影響。當保護煤柱留設不足時，會造成采區(qū)巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈，發(fā)生大變形，從而不得不進行返修，不僅增加了投入成本，也對采區(qū)采掘銜接造成較大影響；當保護煤柱留設較大時，又會造成煤炭資源的浪費，因此,及時切斷綜采工作面停采后圍巖應力傳遞，合理優(yōu)化停采線位置，保護采區(qū)巷道正常使用意義重大[1-3].

采區(qū)巷道壓力顯現(xiàn)實質上都是由于工作面上部頂板未及時斷裂，導致應力傳遞至采區(qū)巷道而引起的。本文以官地礦22613綜采工作面為研究對象，采用理論分析、鉆孔窺視、礦壓實測的研究方法，開展水壓預裂切頂卸壓護巷技術研究與應用，以保證礦井安全生產(chǎn)。

1 工程背景

官地礦22613工作面位于中六采區(qū)北配巷西北部，工作面東北部為采空區(qū)，與本工作面相距32 m煤柱，兩個工作面停采線距離采區(qū)集中軌道巷均為60 m，西南、西北部均為未采區(qū)。2#煤層平均厚度2.49 m，其直接頂為泥巖與細粒砂巖互層，平均厚度為5.9 m，基本頂為細粒砂巖，平均厚度為9 m，普氏系數(shù)為6～8，柱狀圖見圖1.

圖1 工作面圍巖柱狀圖

與該工作面相鄰工作面停采后，強采動應力造成采區(qū)巷道圍巖壓力加大，并且隨著時間的延長，采區(qū)巷道出現(xiàn)片幫、底鼓等現(xiàn)象，巷道難以維護，兩幫移近量超過500 mm，頂?shù)装逡平砍^300 mm，嚴重影響運輸及安全管理。為減小本工作面對采區(qū)軌道巷影響，采用高效水力壓裂頂板技術對該工作面撤架通道頂板進行切頂卸壓。

2 水壓預裂切頂卸壓方案及參數(shù)設計

2.1 水壓預裂方案設計

工作面頂板水力壓裂切頂卸壓的控制技術思路是：對煤柱上方的頂板采用水壓預裂切頂技術，切斷由于工作面采動造成的基本頂應力傳遞路徑，因此要求水壓預裂對象為工作面基本頂[4-5].

理想切頂線位置為沿煤柱側垂直頂板切落，但考慮實際井下鉆孔施工可行性，可沿工作面傾向布置鉆孔，見圖2.

2.2 孔位布置及壓裂參數(shù)

目前回撤通道已經(jīng)形成，確定在回撤通道內施工鉆孔并進行水力壓裂。水壓預裂鉆孔平面布置圖見圖3，剖面布置圖見圖4.

圖2 水力壓裂切頂卸壓原理圖

圖3 水壓預裂鉆孔布置平面圖

每隔13 m布置一組鉆孔，每組鉆孔包括兩個，分別為孔A、孔B.

鉆孔A貼煤柱幫施工，由于副幫標高較正幫要高，為便于施工，鉆孔A由副幫朝向正幫方向施工。鉆孔A開孔位置距離煤幫300～500 mm，偏向煤柱的方位角為10°，仰角為45°，鉆孔長度30 m；鉆孔B垂直煤幫斜向煤柱頂板施工，仰角45°，鉆孔長度為30 m.

鉆孔A、B直徑均為360 mm，從孔頂部開始，每后退5 m壓裂一次，直至壓裂至距離孔口3～4 m位置，每個孔共計壓裂5段，每段的壓裂時間控制在25～30 min.

3 水壓預裂切頂卸壓技術效果分析

3.1 壓裂水壓分析

對17組施工孔共59段壓裂段壓力進行匯總分析，見圖5.

圖4 水壓預裂鉆孔布置剖面圖

圖5 工作面水力壓裂水壓統(tǒng)計分析圖

從圖5可以看出：

1) 水力壓裂頂板的水壓基本在30 MPa，最高可達42 MPa，最低為18 MPa，變化趨勢整體呈從機頭到機尾逐步降低的趨勢。壓裂時鉆孔每段壓裂水壓整體呈逐步下降趨勢，部分鉆孔不符合此現(xiàn)象是由于頂板巖層賦存狀況復雜的影響。壓裂過程中，水壓基本穩(wěn)定在記錄值左右，部分時間水泵表盤壓力發(fā)生變化是因為水壓裂縫此刻出現(xiàn)了較大范圍的擴展，高壓水來不及補充，從而反饋出一定的壓力降，但由于泵的排量較大，水壓裂縫雖然在擴展，但新裂縫產(chǎn)生后會很快被高壓水填充，所以水泵表盤壓力基本維持在一個固定數(shù)值。

2) 分析同一壓裂段不同位置水壓規(guī)律，整體表現(xiàn)為前半部高，后半部低特征，7#架1段壓裂處水壓可達42 MPa，而139#架1段壓裂處水壓僅有18 MPa. 分析原因：副巷受到相鄰22612工作面采空區(qū)應力影響，塑性破壞區(qū)較大，底部孔壁圍巖已發(fā)生一定的塑性破壞，造成在壓裂過程中水壓值不能達到較高水平。

3) 同一壓裂段不同位置水壓規(guī)律整體表現(xiàn)為有規(guī)律性的震蕩曲線，兩個較高壓力的預裂孔中間總是存在一個壓力較低的預裂孔，這是由于相臨孔內高壓水力預裂本孔后裂隙延伸至本孔，導致本孔在預裂前孔壁已形成一定裂隙，壓裂時無法達到高壓，下一組相臨孔孔壁不受破壞，又可以在壓裂時達到較高壓力。以此類推，形成震蕩曲線，即表明，相鄰兩個鉆孔之間已形成貫穿裂隙。

3.2 鉆孔窺視分析

對132#鉆孔壓裂前后進行鉆孔窺視，見圖6. 從圖6可觀察到壓裂前后孔壁圍巖變化情況，壓裂前孔壁光滑，完整度高。壓裂后，在18 m、20.5 m、23 m這3段均形成沿孔壁走向裂隙，特別是16～22 m段，受高壓水沖擊，形成明顯的軸向劈裂縫隙，貫穿形成約2 m長的對稱貫通裂隙，壓裂效果非常好。

圖6 132#架壓裂前后鉆孔窺視結果圖

對99#鉆孔壓裂前后進行鉆孔窺視，見圖7. 從圖7可觀察到，所壓4段均出現(xiàn)連續(xù)走向裂隙，且孔深20 m以內較為明顯，壓裂效果良好。

綜上分析可得出結論：鉆孔深部圍巖較穩(wěn)定，壓裂后形成的裂隙較少，隨深度減少，裂隙形成逐漸明顯，與壓裂水壓分析結果一致。因此采用此技術的關鍵在于深部壓裂，即壓裂第1段至第3段一定要有足夠的水壓，整個鉆孔壓裂才會取得良好效果。

圖7 99#架壓裂后鉆孔窺視結果圖

3.3 施工期間現(xiàn)場反饋

在本工作面回撤通道切頂卸壓過程中，壓裂過程中多次出現(xiàn)相鄰鉆孔、錨桿及錨索淋水現(xiàn)象，說明鉆孔水壓力已使頂板形成裂隙并與相鄰鉆孔、周圍錨桿錨索貫通，同時在工作面端頭壓裂時可以聽到10～50次明顯的頂板斷裂聲，在工作面中部頂板斷裂聲逐步減少為5～10次，說明水力壓裂已使頂板斷裂，端頭頂板巖性較軟且內部應力大，斷裂聲較多，工作面中部頂板巖層較硬且比較完整，斷裂聲相對較少。

4 圍巖變形觀測

在該工作面拆架前于中六區(qū)軌道巷影響范圍內布置測點3個，拆架整周期內采用十字收斂法對巷道圍巖變形進行連續(xù)觀測，結果見圖8.

從圖8可以得出：

1) 在相鄰工作面停采后(未切頂)，采區(qū)巷道頂?shù)装遄冃瘟孔畲筮_到210 mm，兩幫變形量最大達到580 mm，在本工作面(水壓預裂切頂后)采區(qū)巷道頂?shù)装遄冃瘟孔畲鬄?05 mm，降低了50%，兩幫變形量最大為210 mm，降低了63.8%.

2) 切頂后，采區(qū)巷道變形較為平緩，未出現(xiàn)突然來壓沉降現(xiàn)象，采區(qū)巷道能夠滿足正常生產(chǎn)的需求。

圖8 本工作面與相鄰工作面采區(qū)巷道變形圖

5 結 論

1) 官地礦22613工作面回撤通道應用水壓預裂切頂卸壓技術，選取了合理設計施工參數(shù)，分析了鉆孔內壓裂水壓規(guī)律及壓裂前后鉆孔裂隙發(fā)育情況。

2) 通過圍巖變形觀測結果，在工作面回撤通道采用水壓預裂切頂卸壓技術后，采區(qū)巷道頂?shù)装遄冃瘟考皟蓭妥冃瘟糠謩e降低了50%、63.8%，表明該技術使用效果良好。