水力压裂切顶卸压控制临近巷道围岩变形研究.docx

? ? 水力压裂切顶卸压控制临近巷道围岩变形研究 ? ? 景刚刚 （山西煤炭进出口集团蒲县豹子沟煤业有限公司，山西 临汾 041000） 采空区顶板管理直接影响工作面及临近巷道矿压显现[1-2]，一般来说采空区顶板悬露的面积越小，工作面及临近巷道矿压显现越不明显，悬顶的面积越大，当顶板垮落时矿压显现越明显，容易造成煤壁片帮、巷道围岩变形较大等问题[3-4]，故如何控制采空区顶板悬露大小成为研究的重点，一些学者提出了强制爆破等切顶技术，虽然在切顶上达到了较好的预期效果，但也带来易引发瓦斯和煤尘爆炸等问题。近年来，水力压裂切顶技术发展迅速，优势在于避免火工爆破带来的次生灾害，且能温和、可控的产生顶板裂隙，达到切顶卸压的目的，也不产生有害气体[5-6]。本文针对豹子沟煤矿顶板坚硬难冒落等问题，从理论分析、现场应用及效果检验等方面系统研究水力压裂切顶卸压控制临近巷道围岩变形技术，为相似地质条件围岩控制提供借鉴经验。 1 工程概况 豹子沟煤矿的3316工作面和3314工作面为相邻工作面，均未开采，其中3316回风顺槽和3314运输顺槽相邻，煤柱间距为40m。两工作面均为简单褶曲构造，工作面煤层底板起伏较小，北部为三条集中大巷，工作面布置情况如图1所示。3316工作面首先回采，起初煤层厚度4m左右，采用一次采全高综合机械化采煤。回采过程中，采空区悬露顶板较大，来压时工作面压力显现明显，尤其是临近巷道3314运输顺槽巷道围岩变形严重，以底鼓为主，局部底鼓可达1000mm。随着工作面推进，工作面煤层厚度逐渐增加，平均6m，采空区悬露顶板同样较大，来压时动压影响更为明显，3314运输顺槽变形更加严重，局部底鼓量达1500mm，严重影响豹子沟煤矿生产衔接等问题。 2 水力压裂切顶机理 采空区悬露的顶板不能及时垮落的主要原因在于顶板为强度高、完整性好，且受采动影响后完整性仍较好的岩层。随着工作面的推进，采空区上方，尤其是上隅角弧形三角板不能及时垮落，从而造成悬顶，顶板越坚硬、岩层越厚，弧形三角板面积越大，如图2所示。悬顶没有及时破断主要是因为煤柱上方形成的悬臂梁在煤柱边缘没有形成足够的裂隙面，也没有形成足够大的应力集中切断岩层。所以若想切断采空区上方弧形三角板的悬露的顶板，可采用人为的、安全的预裂切顶技术，即水力压裂切顶技术，增加煤体上方岩体的裂隙面，使悬露的顶板在自重作用下及时垮落。 图1 3316工作面巷道布置示意图 图2 工作面顶板垮落弧形三角板形态 3 水力压裂方案设计及实施 压裂切顶在3316回风巷，设计一个长度为300m压裂试验段。根据水力压裂机理和矿井地质条件确定压裂钻孔的位置以及压裂的相关参数。 （1）为了确保3316回风巷水力压裂的裂隙效果，在顶板距3316回风巷副帮（保护煤柱一侧）1m处施工压裂钻孔。钻孔直径75mm，相邻两组钻孔间距10m，钻孔水平投影与巷道轴线方向呈10°夹角，偏向煤柱侧，每组钻孔长度为40m，仰角为60°，水平投影长度为20m，垂直投影长度为35m。水力压裂钻孔布置图如图3所示。 （2）钻孔布置后，实施压裂过程中，压裂钻孔每3m采用切槽钻头预制设计方向的裂缝，压裂的间距为3m，采用高压水预制定向压裂。为不影响生产，水力压裂作业位置距离工作面不低于100m，压裂钻孔开口处至8m内不得进行压裂，主要保护锚索支护效果。 （3）压裂试验段在3316回风巷842m至1142m处，共300m，注水压力为 17～32MPa，压裂时间10～30min。压裂段从6月23日至8月8日施工完成，对应在3314运输顺槽建立围岩变形观测站。 图3 水力压裂钻孔布置图 4 水力压裂效果检验 对压裂试验段附近的3314巷道围岩变形进行监测，监测结果如图4所示。结果表明，压裂段巷道变形以底鼓为主，底鼓最大值为285mm，顶板、左和右帮变形量较小，最大值分别为114mm、52mm和96mm；在未水力压裂附近的3314巷道围岩变形也以底鼓为主，但底鼓最大值在1000mm以上，未卸压区域顶板下沉量可达500mm，左帮和右帮移近量在140mm以上。 图4 3314巷道围岩变形监测曲线 5 结语 本文理论分析了悬露顶板未能及时垮落的原因，提出了水力切顶卸压的方法，结合矿上实际情况，提出了水力压裂设计方案，并现场实施应用。结果表明，未实施水力切割的临近巷道围岩变形较大，其中底鼓量最大值超过1000mm，实施水力压裂卸压的临近巷道围岩变形较小，其中底鼓量最大值为285mm。可以得出实施水力切顶卸压效果明显，为相似地质条件下临近巷道围岩变形控制提供了宝贵的经验。 ? -全文完-