翁海龍

(神東煤炭集團(tuán)保德煤礦，山西 忻州 036600)

0 引言

神東煤炭集團(tuán)保德煤礦位處東關(guān)、橋頭鎮(zhèn)，國家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司獨(dú)資經(jīng)營，屬中央企業(yè)，井田面積為 55.9 km2，保有儲量9.4億t，屬氣煤、弱粘煤，高瓦斯礦井，地質(zhì)為單斜構(gòu)造，水文地質(zhì)中等，易自燃煤層。建有配套選煤廠、神朔鐵路運(yùn)煤專線，韓府公路穿境而過，被評為現(xiàn)代化礦井、安全生產(chǎn)一級標(biāo)準(zhǔn)化礦井。煤礦二次動壓影響巷道，與回采工作面相鄰布置。為最大限度回采煤炭資源，煤柱經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)較小化留設(shè)，伴隨巷道圍巖的強(qiáng)度也較小，穩(wěn)定性較差。受相鄰工作面?zhèn)认蛑С袎毫?，二次動壓影響巷道的變形具有變形速度快、變形量大、變形形式?fù)雜、變形無法穩(wěn)定等特點(diǎn)[1-3]，特別是在81307工作面二次動壓超前支護(hù)段，巷道斷面往往無法滿足行人、通車及通風(fēng)等要求，大部分煤礦的二次動壓巷道均存在不同程度的動壓現(xiàn)象。

1 回采工作面基本情況

1.1 頂板巖性

81307綜放工作面位于三(上)盤區(qū)，北臨盤區(qū)主輔運(yùn)大巷，南臨井田邊界，東臨81306綜放面采空區(qū)，西臨接續(xù)81308綜放面。煤層及頂板裂隙較發(fā)育，在煤層起伏變化處發(fā)育強(qiáng)烈，造成頂板破碎冒落，且部分段發(fā)育有古河流沖刷帶，老頂為粗粒砂巖、鈣質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度差，抗壓強(qiáng)度低，具體見表1。

表1 頂板巖性特征Table 1 Lithologic characteristics of roof

1.2 支護(hù)情況

81308一號回風(fēng)順槽斷面凈寬5 000 mm，凈高3 650 mm。頂板支護(hù)采用“左旋無縱筋螺紋鋼錨桿+鋼筋骨架網(wǎng)+錨索”聯(lián)合支護(hù)，頂錨桿間排距為1 250 mm×1 000 mm，每米4套，錨索間排距為2 400 mm×2 000 mm，2 m一排，每排2套。正幫支護(hù)采用“玻璃鋼錨桿+木托板+高強(qiáng)度塑料網(wǎng)”，每米支護(hù)3套φ20 mm×2 100 mm玻璃鋼錨桿，后沿順槽方向補(bǔ)強(qiáng)2排圓鋼幫錨桿，規(guī)格為φ18 mm×2 100 mm，錨索間排距為2 000 mm×1 000 mm。副幫支護(hù)采用“鋼筋錨桿+木托板+鉛絲網(wǎng)”對有采空區(qū)側(cè)的副幫，進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，采用沿順槽方向補(bǔ)強(qiáng)3排幫錨索，“十字搭接”并壓Ω型鋼帶，錨索規(guī)格為φ21.6 mm×5 000 mm，如圖1所示。

圖1 81308一號回風(fēng)順槽副幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)示意Fig.1 Schematic diagram of 81308 roadway reinforcement support

2 水力壓裂技術(shù)在動壓巷道卸壓的應(yīng)用

2.1 動壓巷道存在的安全隱患

隨著第2個工作面的開采，巷道受第1個工作面和第2個工作面(本巷道所圈回采面)支承壓力疊加影響，巷道變形劇烈，僅依靠支護(hù)難以維護(hù)和確保安全使用。81307綜放面回采過程中，導(dǎo)致81308一號回風(fēng)順槽在水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力相差較大的構(gòu)造應(yīng)力區(qū)，高支承壓力集中區(qū)等附近，巷道圍巖雙向應(yīng)力的比值隨著采動影響而發(fā)生改變，導(dǎo)致本面服務(wù)巷道以及相鄰備用工作面巷道易產(chǎn)生巷道嚴(yán)重變形甚至大冒頂，修復(fù)難度大、成本高，對巷道安全使用極為不利[4-6]。

2.2 動壓巷道變形分析

二次動壓巷道81308一號回風(fēng)順槽25～32聯(lián)巷，在受相鄰81307綜放面回采過程中變形嚴(yán)重，巷道動壓顯現(xiàn)劇烈。主要表現(xiàn)為動壓顯現(xiàn)明顯，頂板掉渣；巷道底鼓嚴(yán)重，底鼓量約為0.5～1.0 m，造成人員通行困難，嚴(yán)重影響正常使用；副幫幫鼓約為0.6 m，多根幫錨索崩落，正幫幫鼓約為1.3 m，玻璃鋼錨桿崩落嚴(yán)重。兩幫局部段片幫嚴(yán)重、網(wǎng)片破損。動壓巷道81308一號回風(fēng)順槽礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈的根本原因是巷道圍巖賦存較高的應(yīng)力，主要是因?yàn)橄噜?1307工作面回采后，采空區(qū)上方巖層重量向周圍支承區(qū)轉(zhuǎn)移，在該工作面采空區(qū)四周形成支承壓力帶。受支承壓力影響，二次采動81308一二號回風(fēng)順槽圍巖應(yīng)力隨工作面推進(jìn)位置超前段巷道壓力也逐漸增高，如圖2所示。

1-超前支承壓力；2、3-側(cè)向支承壓力；4-工作面后方殘余支承壓力圖2 采空區(qū)周圍應(yīng)力重分布Fig.2 Stress distribution around goaf

2.3 動壓巷道卸壓實(shí)施方案

2.3.1 動壓巷道卸壓鉆孔布置

鉆孔布置：81307工作面膠運(yùn)順槽(對應(yīng)81308一號回風(fēng)順槽13～14聯(lián)巷段)水力壓裂卸壓鉆孔布置及參數(shù)如圖3所示。壓裂過程中，根據(jù)鉆孔壓裂情況調(diào)整壓裂參數(shù)(鉆孔間距、壓裂次數(shù)、壓裂時間、鉆孔角度等)要求，采用后退式方向?qū)嵤?/p>

圖3 水力壓裂鉆孔布置示意Fig.3 Layout of hydraulic fracturing boreholes

鉆孔數(shù)量(進(jìn)尺、參數(shù))及施工順序：①鉆孔進(jìn)尺總計(jì)1 200 m。一種為A孔，孔與孔間隔10 m，巷道單側(cè)施工，另一種為A+B孔，孔與孔間隔15 m，巷道兩側(cè)布置；②先壓裂鉆孔正幫A鉆孔，鉆孔長度50 m，傾角50°；后壓裂鉆孔副幫B鉆孔，鉆孔長度50 m，傾角50°。鉆孔施工采用ZDY1200S鉆機(jī)及配套鉆機(jī)平臺，鉆頭直徑56 mm，鉆桿直徑42 mm。

2.3.2 壓裂施工

81307膠運(yùn)順槽(對應(yīng)81308一號回風(fēng)順槽13～14聯(lián)巷段)水力壓裂順槽卸壓如圖4(a)、(b)、(c)所示。采用橫向切槽的特殊鉆頭，預(yù)制橫向切槽，如圖4(a)所示，保德煤礦頂板巖層不屬于堅(jiān)硬巖石，無需實(shí)施開槽作業(yè)。利用手動泵為封隔器加壓使膠筒膨脹，達(dá)到封孔目的，封孔壓力12～16 MPa。試壓時加壓到2～5 MPa檢查密封情況，如圖4(b)所示。連接高壓泵實(shí)施壓裂，如圖4(c)所示。

圖4 水力壓裂施工示意Fig.4 Hydraulic fracturing construction technology

3 施工效果分析

3.1 卸壓原理

通過在相鄰工作面的81307膠運(yùn)順槽(對應(yīng)81308一號回風(fēng)順槽13～14聯(lián)巷段)實(shí)施煤巖體水力壓裂弱化技術(shù)，減小回采81307綜放面?zhèn)认?81308工作面方向側(cè))懸臂梁的長度、厚度。削弱、轉(zhuǎn)移81307膠運(yùn)順槽與81308一號回風(fēng)順槽之間煤柱上覆的高應(yīng)力，使81308一號回風(fēng)順槽一次采動影響降低，處于低應(yīng)力區(qū)域，從根本上改變巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，降低維護(hù)難度[7-9]。

3.2 監(jiān)測方法

可采用物探的監(jiān)測方法，比如瞬變電磁、地質(zhì)雷達(dá)等方法，但是相對成本較高。采用簡單觀測方法，比如在壓裂孔周圍布置觀測孔，壓裂過程中如果觀測孔有水冒出，可大致確定壓裂影響的范圍[10-12]?；蛘咄ㄟ^窺視儀觀測壓裂后裂紋產(chǎn)生情況?？蛇M(jìn)行全面、系統(tǒng)的礦壓監(jiān)測，包括頂板位移與離層、巷道圍巖位移、支護(hù)體受力，通過處理與分析礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，評價水力壓裂控制頂板的效果。

3.3 壓裂現(xiàn)場觀察

3.3.1 壓裂初期

鉆孔開始壓裂期間，高壓水壓力急劇增高到一定值后，隨著孔壁巖石的開裂或原生裂隙的進(jìn)一步張開，壓力在某一范圍內(nèi)小幅波動或突然有不同程度的下降，繼而進(jìn)入保壓階段，裂縫隨著時間不斷的擴(kuò)展。有些壓裂在裂縫擴(kuò)展過程中，壓力存在小幅度的波動，裂縫基本以恒定壓力向前擴(kuò)展，說明頂板巖層原生裂隙不發(fā)育，巖層較為穩(wěn)定，裂縫可以實(shí)現(xiàn)大范圍擴(kuò)展；有些壓裂在裂縫擴(kuò)展過程中，壓力穩(wěn)定上升或下降，可能是由于巖層的不均勻性或巖層的滲透率不同導(dǎo)致的；還有一些壓裂在裂縫擴(kuò)展過程中，壓力波動較為劇烈，可能是由于裂縫擴(kuò)展過程中遇到了原聲裂隙或結(jié)構(gòu)面導(dǎo)致的。

3.3.2 壓裂過程

水壓分布區(qū)間為10～22 MPa，當(dāng)現(xiàn)場頂板鉆孔在壓裂過程中，當(dāng)水壓升至10 MPa左右時，鉆孔附近錨索開始淋水，擴(kuò)散半徑約為15～20 m，從孔底到孔口壓裂過程中。壓裂在30 min左右時，均有淋水，說明頂板巖體強(qiáng)度不大，且存在大量的原生裂隙或采動裂隙，當(dāng)在水的壓力下，大量裂隙擴(kuò)展、貫通，形成弱化帶。水壓的大小取決于原巖應(yīng)力的大小和方向、巖體的滲透性、壓裂位置、原生裂隙的發(fā)育情況等。鉆孔深部受采動影響較小，圍巖應(yīng)力(地應(yīng)力)未釋放，圍巖整體性較好，導(dǎo)致出現(xiàn)較高的水壓。反之，在距離鉆孔孔口位置，水壓較小。

3.3.3 壓裂效果

從81308一號回風(fēng)順槽13～15聯(lián)巷處布置固定的圍巖變形測試點(diǎn)對比，測點(diǎn)間距為20 m，1#～11#共11個測點(diǎn)，測點(diǎn)為巷道寬度和巷道高度。當(dāng)工作面推采過該施工壓裂位置末端13聯(lián)巷300 m后，從記錄觀測數(shù)據(jù)分析來看，壓裂后巷道底鼓及變形量得到了有效控制，且現(xiàn)場巷道變形較小，基本不需要進(jìn)行巷道修復(fù)，簡單維護(hù)即可確保行車暢通、正常使用。

4 結(jié)語

通過對81307工作面膠運(yùn)順槽(對應(yīng)81308一號回風(fēng)順槽13～14聯(lián)巷段)周圍巖體實(shí)施單孔多次壓裂技術(shù)工藝，可在頂板中產(chǎn)生多條裂縫并使大量裂隙貫通。隨著水力裂縫的大范圍擴(kuò)展，通過裂縫擴(kuò)展吸能，可大幅減小頂板巖層賦存的高應(yīng)力，從而釋放巖層中儲存的彈性能，可以削弱頂板巖層的強(qiáng)度，破壞頂板巖層的整體性，使采空區(qū)頂板能夠分層分次及時垮落，消除了隅角懸頂，達(dá)到弱化頂板巖層、減小基本頂懸頂長度。避免能量突然釋放引起圍巖劇烈變形，壓裂范圍內(nèi)頂板的巖爆聲大幅降低，有效緩解81308一號回風(fēng)順槽劇烈變形，降低巷道修復(fù)工程量，確保二次動壓巷道安全使用。實(shí)踐證明，81307膠帶順槽(對應(yīng)81308一號回風(fēng)順槽13～14聯(lián)巷段)水力壓裂預(yù)卸壓技術(shù)有效解決了81308一號回風(fēng)順槽二次動壓巷道在相鄰81307工作面采動后的留巷難題，同時節(jié)約了巷道維護(hù)工程量，確保二次動壓巷道81308一號回風(fēng)順槽回采安全，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和安全成果，為安全回采提供了新技術(shù)，具有借鑒、推廣的價值。