坚硬顶板工作面水力压裂切顶卸压技术研究

冀国飞

【摘 要】 针对坚硬顶板工作面在开采过程中顶板岩体难以垮落，使得工作面后方大面积悬顶，造成临近运输巷围岩变形较大的问题，本文以某煤矿15116坚硬顶板工作面为工程背景，采用水力压裂切顶卸压技术对工作面顶板岩体进行预裂卸压，通过现场试验和监测数据表明：对顶板岩体进行预裂卸压后运输巷道两帮变形量减小了51.1%，顶底板变形量减小了46.5%，巷道围岩变形得到了有效的控制，保证了回采工作面的安全。

【关键词】 坚硬顶板;工作面;预裂卸压;围岩变形

【中图分类号】 TD32 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2021）01-0014-02

本文以某煤矿15116坚硬顶板工作面为工程背景，采用水力压裂技术对坚硬顶板进行切顶卸压，并通过现场实测的方法研究了巷道围岩的变形情况，此研究结果可为类似工程地质条件下的工作面坚硬顶板的弱化处理提供借鉴与参考。

1工程概况

15116工作面主采16号煤层，厚度为2.0～4.5m，平均厚度3.25m，平均倾角5°。16号煤层工作面直接顶为细粒砂岩交互层，平均厚度约7.3m，基本顶岩层为细粒砂岩和中粒砂岩，平均厚度约8.7m，属坚硬岩层，直接底为泥岩，平均厚度约为2.1m，基本底为粉砂岩，平均厚度约为3.96m。工作面顶底板煤岩柱状图如图1所示。

2水力压裂围岩变形机理及切顶卸压原理

由于长壁式开采对围岩采动影响较大，在正常的工程地质条件下，随着回采工作面推进，后方由多层薄岩层组合而成的顶板发生垮落，采空区中垮落下的矸石承担上覆岩层产生重力，从而分担了采空区两侧煤柱所承担的压力，进而减小了为工作面服务的临近巷道围岩的变形。由于16号煤层直接顶和老顶均为砂岩，其硬度较大，顶板不能够在工作面推进后及时垮落，使得煤柱长时间承受较大的载荷，这导致工作面临近巷道围岩发生较大变形，影响其安全使用。

水力压裂切顶卸压技术切割坚硬顶板，以此将上覆岩层的载荷向采空区转移，降低区段煤柱内的应力集中程度，从而确保留巷围岩的稳定性。一个正在回采的工作面，一侧为采空区，另一侧为未回采的工作面，两个工作面间留设一定宽度的区段煤柱，煤柱上方的坚硬岩层形成悬臂式结构。采用水力压裂技术进行顶板压裂后，煤柱上方的坚硬岩体垮落，煤柱得到卸压，此时留巷围岩的稳定性将得到很大的提高。

3切顶卸压方案

根据15116工作面的现场实际情况，在轨道巷未进行回采部分的顶板布置水力压裂钻孔进行切顶卸压试验，试验段长度约280m，水力压裂钻孔之间的距离为10m，钻孔长度为30m，钻孔直径为75mm，钻孔与工作面水平方向的夹角为50°，与工作面推进的方向为75°，在钻孔的底部从内到外依次开间距为3m的槽，各钻孔布置如图2所示。

压裂钻孔钻进采用钻头直径77mm的矿用全液压坑道钻机，钻孔完成之后，使用封孔器对钻孔进行封孔，然后使用静水压对封孔器进行镜像试压，查验封孔器的密封性，最后连接注水钢管并把封孔器推入到预压裂缝位置进行压裂，封孔器的压力值为10MPa，高压注水泵的水压力值为60MPa，注水压裂的顺序为倒退式压裂法，由孔底到孔口逐次进行，在水力压裂施工过程中，巷道前后30m范围内的无关人员禁止靠近施工现场。

4现场实践分析

4.1岩变形监测

在15118运输巷内布设围岩变形监测点，监测切顶卸压前后巷道围岩的位移变形，并进行对比分析，监测点处围岩变形曲线如图3所示。

由图3可以看出，在水力压裂切顶卸压前，巷道两帮变形值最大约229mm，水力压裂切顶卸压后巷道两帮变形值最大约112mm，变形值减小了约51.1%;在水力压裂切顶卸压前，顶底板变形值最大约为366mm，水力压裂切顶卸压后顶底板变形值最大约为196mm，减小了约46.5%。由此可见，在15116工作面进行水力压裂切顶卸压后，15118运输巷围岩的位移量显著减小，且能满足为回采工作面服务的要求。

4.2应力分析

水力压裂切顶卸压前后，15116工作面煤层应力的分布情况如图4所示。

从图4可以看出，由于水力压裂切顶卸压使得工作面顶板发生冒落，落下的岩石充填工作面后方的采空区，与此同时在回采巷道的附近产生较大的应力，切顶卸压后采空区所产生的垂直应力大于非切顶卸压情况下的垂直应力。切顶卸压后采空区所产生的覆岩载荷，可以有效减少煤柱的载荷。切顶卸压后煤柱垂直应力小于非切顶卸压情况下的垂直应力。切顶卸压后煤柱平均垂直应力大约为14.3MPa，平均降幅大约为0.4MPa。

5结语

为控制15116工作面临近15118运输巷围岩变形，采用水力压裂切顶卸压技术对坚硬顶板15116工作面进行处置，通过现场试验以及巷道位移监测数据可得出，工作面采用水力压裂切顶卸压后，15118运输巷两帮变形量减小了51.1%，顶底板变形量减小了46.5%，巷道围岩的变形显著减小，取得了良好的控制效果。

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