18103工作面动压巷道顶板水力压裂卸压技术与试验

郝少龙

（山西王家岭煤业有限公司，山西 忻州 036600）

随着煤炭需求量的不断提高，煤矿开采强度增加，动压巷道的变形问题，如变形速度快、变形量大、变形形式复杂、变形无法稳定等特点日益突显[1-2]。动压巷道大变形的原因往往是巷道、煤柱和实体煤上方赋存的采动支承压力，为此，专家技术人员提出了卸压技术用于治理动压巷道大变形的措施，目前常采用切缝卸压、钻孔卸压、松动爆破、卸压煤柱等卸压方式[3-5]。王家岭煤矿18103辅运顺槽既服务于18103工作面，又服务于下个工作面，属于典型的动压影响巷道，巷道支护难度大。因此，拟采用水力压裂技术在工作面胶运顺槽进行顶板卸压，削弱采动应力对工作面辅运顺槽稳定性的影响。

1 工程概况

18103工作面开采4#煤层，布置了三条顺槽（胶运顺槽、回风顺槽、辅运顺槽），辅运顺槽与胶运顺槽之间留设25 m煤柱，辅运顺槽为下个面回风顺槽。4#煤层赋存稳定，平均厚度7.75 m，平均倾角为6°，含2～3层夹矸，埋深300 m。采用电子钻孔窥视仪进行围岩结构探测，钻孔角度为50°，孔深50 m，测点顶板以上0～6.2 m为顶煤，黑色，煤层结构较复杂，含矸1～6层。顶板煤层较为完整，6.2～10.4 m为砂质泥岩，随放顶后易垮落，10.4～42 m为砂岩，岩层呈灰白色，砂质胶结岩层相对较为完整，岩性单一。

2 动压巷道顶板水力压裂卸压技术

（1）施工方案

① 沿胶带顺槽布置压裂钻孔S，钻孔与竖直方向的夹角设计为5°，孔间距设计为10 m，布置如图1（a）；

② 压裂钻孔长度设计为40 m，倾角设计为50°，布置如图1（b）；

图1 水力压裂参数（m）

③ 采用倒退式压裂，3 m压裂一次。

（2）压裂要求

① 后退式单孔多次压裂，3 m压裂一次，根据现场结果实时调整。

② 压裂时间设计为30 min，根据水压变化实时调整。

③ 钻孔施工、压裂作业间距不小于30 m。

（3）压裂参数

根据18103工作面顶板岩层确定压裂参数，高压水压力设计为62 MPa，流量设计为80 L/min。

3 卸压效果分析

在18103辅运顺槽里程牌为1230～930 m侧的胶运顺槽进行现场试验，监测了压裂段和不压裂段的煤柱应力情况。

（1）未卸压段煤柱应力分析

在1250 m附近安装煤柱应力监测仪器，根据监测结果，未卸压段煤柱应力分布特征如下：

① 1250 m处钻孔应力计安装时，工作面已推进到1220 m处，应力计未能监测超前工作面煤柱受力变化过程，初始监测位置为滞后工作面30 m处。

② 煤柱内钻孔深度15 m（距离采空区9.5 m）和18 m（距离采空区6.5 m）处应力计受力基本没有变化，说明在滞后工作面30 m时，此处应力已超过煤体的极限强度，应力已转移到距离采空区更远的位置。

③ 煤柱内钻孔深度6 m（距离采空区18.5 m）、9 m（距离采空区15.5 m）和12 m（距离采空区12.5 m）处应力先有稍微地增加，然后出现明显的降低，说明此范围煤体也逐步进入塑性区，煤体发生了破坏。

④ 煤柱内钻孔深度3 m处，煤体应力逐渐降低，此范围对巷道围岩稳定性影响很大，说明安装应力计后，煤体承载力一直降低，煤体裂隙逐步发育，完整性受到一定程度的破坏。

由于受到安装时机的限制，未压裂段煤柱应力计没能监测煤柱受力的完整变化过程，但是通过应力的变化可知，煤柱内应力最终都有所降低，说明未压裂段煤柱煤体均已进入塑性区。

（2）卸压段煤柱应力分析

在1100 m安装煤柱应力监测仪器，根据监测结果，卸压段煤柱应力分布特征如下：

① 进行水力压裂的区域，钻孔深度3 m处，煤体受力变化较大，其受力先增加，然后应力出现降低，并且受力波动较大。应力计值最大达到23 MPa左右，应力增加量达到15 MPa左右。由于后期应力出现较明显的降低，说明此范围煤体已进入塑性区。

② 钻孔深度6～18 m范围内煤柱应力在超前工作面60 m处开始出现缓慢增加，滞后工作面在300 m时，煤体内应力处于较稳定状态，并且钻孔应力计值没有出现下降的现象，说明煤柱十分稳定。18103工作面回采后，煤体仍具有较强的承载力，煤体没有进入塑性区。

煤柱内最终的应力分布曲线如图2所示。由曲线可知，水力压裂后煤柱存在明显的弹性核区，18103辅运顺槽围岩环境得到明显改善。

4 结论

为削弱采动应力对18103工作面辅运顺槽稳定性的影响，在工作面胶运顺槽采用水力压裂技术对顶板卸压，设计了动压巷道顶板水力压裂卸压技术与参数，并进行了现场试验。煤柱应力监测结果显示，未压裂段煤柱煤体处于塑性区，而压裂段煤柱存在明显的弹性核区，具有较高的承载力，18103辅运顺槽围岩环境得到明显改善。