水力压裂切顶技术对巷道顶板影响研究

李飞飞

（霍州煤电集团有限责任公司李雅庄煤矿，山西 霍州 031400）

0 前言

霍州煤电李雅庄煤矿为高瓦斯矿井，主采2#煤层，平均煤层厚度为3.32 m，针对回采工作面在推进过程中的上下隅角空顶面积大而造成瓦斯容易积聚超限和两巷超前段受动压影响矿压显现明显问题，引入了水力压裂切顶技术[1-2]，目前该技术已经在2-611回采工作面得到初步应用。

李雅庄煤矿工作面使用单轨吊进行辅助运输，对巷道顶板的完整性和稳定性要求较高，针对水力压裂切顶技术对巷道顶板的影响，以2-611工作面副巷为对象对其顶板破坏程度进行研究。

1 水力压裂切顶钻孔设计

1.1 工作面基本情况

李雅庄煤矿2-611工作面切巷长205 m，设计推进距离1 285 m，采高3.35 m，煤层倾角7°，工作面标高+260 m～+274 m，对应地表表高为+756 m～+873 m。工作面顶板多为细砂岩或泥岩，初次来压步距为24 m～26 m，周期来压步距为23 m～30 m，开采后，冒落带高度为7.8 m～12.2 m，裂隙带高度为32.8 m～44 m。

2-611工作面副巷设计宽度为5.2 m，高度为3.9 m，巷道断面积为20.28 m2，支护方式为锚网梁，其中顶板锚杆长度为2.5 m，锚索长度为7.2 m。副巷主要承担工作面材料和设备运输，运输方式为单轨吊运输。

2013年在2-6091系统巷（与2-6112巷相距130 m左右）进行了一个测站围岩地质力学测试，测站最大水平主应力为20.91 MPa，最小水平主应力为11.44 MPa，垂直应力为12.44 MPa。最大水平主应力方向为N19°W。测站所在巷道顶板以上10 m范围内岩层依次分别为砂质泥岩、砂岩、砂质泥岩和砂岩。砂质泥岩岩层强度约为44.7 MPa和46.7 MPa；砂岩岩层强度约为82.6 MPa和70.3 MPa。

1.2 水力切顶压裂施工工艺

水力压裂切顶工作主要分为钻孔封孔、高压水压裂钻孔、钻孔保压注水三项工序，具体步骤如下：

（1）将封孔及注水设备放入孔内，封孔、注水压裂采用倒退式压裂法，即从钻孔底部由里向外逐段进行封孔压裂。

（2）利用手动泵为封隔器加压使胶筒膨胀，达到封孔目的，一般封孔压力值为10 MPa～16 MPa，作业过程中若钻孔中有水流出或压力表值明显下降，表明封孔失效，需及时处理。

（3）连接高压泵实施压裂直至预裂缝开裂，这时压力会突然下降，保压注水使裂纹继续扩展，保压注水与压裂时间根据现场实际情况进行确定。

1.3 水力压裂切顶钻孔设计参数

根据李雅庄煤矿2-611工作面地质资料、岩层条件及矿压规律，进行了相应的钻孔设计，具体参数见6页表1。

表1 水力压裂钻孔布置及水力压裂参数

图1 钻孔布置

图2 钻孔剖面

2 水力压裂切顶对巷道顶板影响

通过施工现场外部顶板巡查、测点周围锚杆（索）拉拔试验、钻孔内部窥视、十字栓桩法监测围岩变形量等手段，对水力压裂切顶技术对巷道顶板影响进行深入分析，具体如下：

（1）现场顶板观察

图3 施工现场顶板

由图3可以得到以下结论：在水力切顶打钻和压裂过程中，直观2-6112巷顶板平整，钻孔周围未产生明显的裂隙、掉落矸石及产生网包等现象，现场巷道顶板基本无变化，但在钻孔压裂过程中能够断断续续的听到顶板深部围岩有断裂的声响，说明水力压裂切顶没有对巷道直接顶造成破坏影响。

（2）锚杆（索）拉拔试验

表2 拉拔试验

由表2可知：通过对测点周围顶板的锚杆（索）进行拉拔试验，发现锚杆（索）均能达到锚固要求，因此得出水利切顶压裂没有对巷道顶板支护区域造成影响。

（3）钻孔内部窥视

图4 部分钻孔内部窥视

由图4可以得到如下结论：水压致裂后，以钻孔内部8 m位置为分界线（最后一次压裂位置），钻孔浅部无明显裂隙发育，钻孔深部裂隙发育较多，裂隙基本沿钻孔方向延伸，结合现场相邻钻孔在该钻孔压裂过程中正常出水，说明相邻钻孔间裂隙已经贯通，水压致裂对巷道老顶（关键层）压裂预期效果较好。

（4）巷道围岩变形量观察

图5 巷道围岩位移量

由图5可以得到以下结论：

（1）1#、2#测点在压裂施工完后没有发生明显的变形，当测点进入超前20 m范围时，由于受到超前采动影响，出现较大变形，变形以底鼓变形为主，回采推过后测点破坏。

（2）3#测点距离采空区还有42 m，从监测数据来看还受超前采动影响较小，该测点在压裂完后没有出现明显的变形，巷道两帮的最大变形量为35 mm，顶底板的最大变形量为60 mm，可以看出变形量较小；

（3）4#测点距离回采面较远，暂时没有受到工作面采动过程中动压影响，位移变化量较小，因此巷道的变形量也仅局限于垂直应力的作用。

3 结论

通过施工现场外部顶板巡查、锚杆（索）拉拔试验、钻孔内部窥视、现场围岩变形量监测等多种方法对巷道顶板完整性进行有效研究，最后得出结论，即水力切顶压裂技术主要是破坏巷道顶板深部围岩（关键层）的完整性，对巷道顶板浅部支护范围（直接顶）影响较小，满足工作面单轨吊正常运输对顶板稳定性的要求，同时能够随着工作面推进采空区上隅角顶板及时垮落，从而保证了回采工作面安全生产，为本矿顶板管理积累了宝贵的经验，也为其他类似问题矿井提供了宝贵的借鉴。