米 東

(潞安集團(tuán) 潞寧煤業(yè)公司，山西 忻州 036000)

1 工程概況

潞寧煤業(yè)現(xiàn)階段主采侏羅系大同組上部的2號(hào)煤，2號(hào)煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，厚度為1.0～5.0 m，平均厚度3.5 m，平均傾角4.5°，容重為1.48 t/m3，中部夾不連續(xù)的薄層炭質(zhì)泥巖夾矸，煤質(zhì)編號(hào)為氣煤。22116工作面平均走向長(zhǎng)度為1 877.233 m，傾向長(zhǎng)178.6m，預(yù)計(jì)可采儲(chǔ)量約173.672萬(wàn)t。22116工作面地面標(biāo)高+1 466～+1 610 m，井下標(biāo)高+1 037～+1 057 m，位于二二采區(qū)，北部為22114工作面采空區(qū)，留設(shè)煤柱25 m，南部為22118回采工作面，留設(shè)煤柱25 m，西部為2號(hào)煤層南翼四條大巷。22116回風(fēng)巷和22118運(yùn)輸巷采用雙巷掘進(jìn)，區(qū)段煤柱寬度為25 m，工作面巷道布置如圖1所示。2號(hào)煤層直接頂為厚度10 m左右的細(xì)粒砂巖和粉砂巖，老頂為中粒砂巖和細(xì)粒砂巖，均屬于堅(jiān)硬巖層，頂?shù)装鍘r層特征見(jiàn)表1。22116工作面回采初期，22118運(yùn)輸巷圍巖出現(xiàn)明顯的失穩(wěn)變形現(xiàn)象，需采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行治理。

圖1 工作面巷道布置示意

表1 頂?shù)装鍘r性特征

2 22118運(yùn)輸巷失穩(wěn)機(jī)理及切頂卸壓原理

正常地質(zhì)條件下，采用長(zhǎng)壁式開(kāi)采方法，采動(dòng)影響范圍大[1]，工作面推進(jìn)后，多層復(fù)合薄巖層組成的頂板及時(shí)垮落，垮落的矸石充填采空區(qū)，采空區(qū)分擔(dān)上覆巖層的壓力，降低采空區(qū)兩側(cè)的煤柱承受的壓力，為臨近工作面服務(wù)的留巷受采動(dòng)影響不嚴(yán)重。潞寧煤業(yè)2號(hào)煤層直接頂和老頂均為堅(jiān)硬的砂巖，工作面推進(jìn)后，采空區(qū)上覆巖層不能夠及時(shí)垮落，甚至在區(qū)段煤柱上方形成穩(wěn)定的懸臂結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致煤柱承受的載荷大大增加，最終導(dǎo)致臨近工作面的巷道斷面收縮嚴(yán)重，甚至影響其正常使用。

根據(jù)以往在類(lèi)似地質(zhì)條件下的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)常遇到堅(jiān)硬頂板在工作面回采后懸而不垮的現(xiàn)象，可采取定向水力壓裂技術(shù)切割堅(jiān)硬頂板，以此將上覆巖層的載荷向采空區(qū)轉(zhuǎn)移，降低區(qū)段煤柱內(nèi)的應(yīng)力集中程度，從而確保留巷圍巖的穩(wěn)定性，切頂卸壓的理想模型如圖2所示。一個(gè)正在回采的工作面，一側(cè)為采空區(qū)，另一側(cè)為未回采的工作面，兩個(gè)工作面間留設(shè)一定寬度的區(qū)段煤柱，煤柱上方的堅(jiān)硬巖層形成懸臂式結(jié)構(gòu)，如圖2(a)所示。采用水力壓裂技術(shù)進(jìn)行頂板壓裂后，煤柱上方的堅(jiān)硬巖體垮落，煤柱得到卸壓，此時(shí)留巷圍巖的穩(wěn)定性將得到很大的提高，如圖2(b)所示。

圖2 切頂卸壓模型

3 水力壓裂切頂卸壓方案

根據(jù)22116工作面回采的實(shí)際情況，在22116軌道巷未回采的巷段進(jìn)行水力壓裂卸壓試驗(yàn)，試驗(yàn)段長(zhǎng)度約300 m，在22116軌道巷頂板布置水力壓裂鉆孔，鉆孔間距為10 m，鉆孔與工作面推進(jìn)方向的夾角為75°，與水平方向的夾角為50°，鉆孔直徑為75 mm，長(zhǎng)度為30 m，從鉆孔底部由里向外依次進(jìn)行開(kāi)槽，槽間距為3 m，1號(hào)切槽距離孔底約2 m，水力壓裂鉆孔布置如圖3所示。

圖3 22116軌道巷水力壓裂鉆孔布置

鉆孔施工完成后首先進(jìn)行封孔器和水壓儀的安裝，封孔器安裝完成后采用靜壓水對(duì)其進(jìn)行排氣和試壓，封孔器壓力為10 MPa，之后連接注水鋼管將封孔器推送至預(yù)裂縫處進(jìn)行壓裂，高壓注水泵的水壓為60 MPa，泵流量為80 L/min，注水壓裂的順序?yàn)榈雇耸綁毫逊╗2]，由孔底到孔口逐次進(jìn)行，壓裂施工時(shí)前后20 m的巷道范圍內(nèi)拉警示線，禁止無(wú)關(guān)人員靠近。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

為考察水力壓裂切頂卸壓技術(shù)的效果，在22118運(yùn)輸巷內(nèi)設(shè)置多個(gè)圍巖位移監(jiān)測(cè)站，對(duì)切頂卸壓前后圍巖的位移情況進(jìn)行對(duì)比，巷道圍巖的位移主要集中在22116工作面推過(guò)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置，由此整理得到不同測(cè)點(diǎn)處圍巖位移與采煤工作面距離的關(guān)系，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 22118運(yùn)輸巷圍巖位移觀測(cè)結(jié)果

未采取切頂卸壓措施前，兩幫移近量最大約為241 mm，切頂后兩幫移近量最大為119 mm，減小了50.6%，減小明顯；未采取切頂卸壓措施前，頂?shù)装逡平孔畲蠹s為388 mm，切頂后頂?shù)装逡平孔畲鬄?87 mm，減小了51.8%，減小明顯。綜上可知，在22116軌道巷采取水力壓裂切頂卸壓措施后，22118運(yùn)輸巷在22116工作面采動(dòng)影響下圍巖的位移量顯著減小，能夠滿足為22118工作面服務(wù)的要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

潞寧煤業(yè)22116工作面回采期間，臨近工作面的22118運(yùn)輸巷圍巖出現(xiàn)位移過(guò)大的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)采用水力壓裂切頂卸壓技術(shù)進(jìn)行治理，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和圍巖位移監(jiān)測(cè)表明，切頂后22118運(yùn)輸巷兩幫移近量減小50.6%，頂?shù)装逡平繙p小51.8%，圍巖的位移顯著減小，取得了良好的應(yīng)用效果。