煤矿巷道围岩卸压技术及应用

康红普，姜鹏飞，冯彦军，赵凯凯

(1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)

0 引 言

井工煤矿开采需要在井下开掘各种类型的巷道，包括大巷、采区集中巷、上下山及回采巷道等。对于不受采煤工作面采动影响的巷道，开挖只是破坏了原岩应力状态，巷道围岩应力重新分布，围岩向巷道空间移动。当应力达到围岩强度时，围岩出现破坏；当围岩结构不能保持稳定时，巷道就会出现冒顶、片帮等现象。可见，围岩变形与破坏是围岩强度、刚度与围岩应力作用的结果，提高围岩强度、刚度或降低围岩应力均可控制围岩变形与破坏。井工煤矿80%以上的巷道受采煤工作面采动影响，采动应力数倍于原岩应力。采动巷道不仅受原岩应力的影响，其稳定性更主要取决于采动应力大小和作用时间，采动巷道围岩变形、破坏与其同采煤工作面开采的时空关系密切相关。

根据煤矿巷道围岩变形与破坏的原因，国内外开发出多种形式的巷道围岩控制方法[1-3]，按围岩控制原理可分为2大类：① 给巷道表面提供约束，以及提高围岩强度、刚度、完整性和稳定性的支护加固法，包括各种棚式支架、支柱、砌碹支护等作用在围岩表面的支护形式，锚杆、锚索、注浆等能深入到围岩深部的锚固、加固形式[4-5]；② 降低围岩应力、转移围岩高应力、均匀化围岩应力避免出现过高集中应力、降低围岩偏应力和应力梯度等的应力控制法[6-8]，包括基于最大水平主应力方向的巷道掘进方向优化、巷道断面优化，将巷道布置在应力降低区，在巷道浅部围岩实施切缝、钻孔、爆破、压裂及邻近掘巷等，将围岩高应力向深部围岩转移;也包括采用爆破、水力压裂等方法减小采煤工作面对巷道的采动影响。上述多种应力控制法也称卸压法。

随着煤矿开采深度与强度不断增加，应力的作用越来越重要。深部巷道原岩应力高，特别是千米深井巷道，原岩应力达到40 MPa以上[9]，甚至超过煤岩体强度，巷道掘出后就产生大变形，受到采动影响后围岩变形更加剧烈，有的还出现冲击地压等动力灾害，仅采用支护加固法很难有效控制围岩变形与破坏。随着工作面煤炭产量的不断提高，强采动巷道占比越来越大。这些巷道在掘进期间围岩变形一般比较小，受到采动影响后围岩变形剧烈增加，有些巷道还经历二次、多次采动影响，巷道维护更加困难。支护加固法在这种条件下经常失效，无法保证巷道稳定与安全。总之，对于深部高应力巷道、强采动巷道等应力主导型的复杂困难巷道，仅采取加大支护强度、密度，进行二次甚至多次支护有时是不可行的。需要将支护、加固及卸压有机结合，协同控制围岩变形[10]，其中卸压法可起到支护加固法不可替代的重要作用。

笔者介绍了煤矿巷道围岩卸压技术的类型，分析各种卸压方法的原理及适用条件，通过卸压法应用实例分析，介绍卸压法设计参数，评价卸压效果，并对卸压法今后的发展提出建议。

1 煤矿巷道围岩卸压技术分类

巷道围岩卸压技术有多种，具体见表1，可分为巷道布置法、巷道围岩近场卸压法及远场卸压法。

表1 煤矿巷道围岩卸压法分类Table 1 Classification of destressing methods for rock around coal mine roadways

1.1 巷道布置法

矿井开拓部署、采煤工作面与巷道布置、采煤方法、采掘顺序等均会对巷道围岩应力、变形与破坏产生影响。通过合理的采掘部署，将巷道布置在应力降低区是最有效的巷道围岩应力控制方法。根据巷道与采煤工作面、采空区的相对位置关系，可分为巷道布置在采空区下方、采空区上方、采空区边缘及采空区内等形式。

对于长壁全部垮落法开采，煤层开采后会在顶板形成垮落带、断裂带及弯曲下沉带，如图1所示，在底板形成破碎区，并在采空区顶板和底板出现一定范围的应力降低区，而高应力转移到工作面边缘的煤体、煤柱及深部围岩中。在煤层群开采中，邻近煤层的开采对上覆和下伏煤层开采均有显著影响。所谓卸压开采就是通过先开采保护层(图1中部煤层)，在保护层采空区顶板和底板岩层中出现大范围卸压区，有利于瓦斯抽采和主采煤层巷道维护及安全、高效开采[11-15]。

1、2、3、4、5、6、7—巷道位置图1 卸压开采煤层岩层移动与破坏及应力分布Fig.1 Strata movement,fracturing and stress distribution around destressing mining coal seam

在已采煤层采空区下方应力降低区内布置巷道，对巷道围岩稳定与维护非常有利。因此，在下部煤层开采时，通常采用内错布置方式，将回采巷道布置在距上部煤层采空区边缘一定位置的采空区下，如图1中的位置1。另外，在煤层群开采中，将底板岩石巷道布置在已稳定的上部煤层采空区下低应力区(图1中位置2)，先卸压开采后掘进巷道，会显著改善巷道围岩应力状态，有利于岩石巷道长期稳定[16]。对于跨巷开采的底板巷道，跨采前巷道要经历采煤工作面超前支承压力影响。只有当工作面跨过巷道后，巷道才能处于应力降低区[17-18]。因此，跨采巷道一般需要在跨采前、跨采过程中进行加固，跨采后需要修复[19]，之后可长期处于低应力状态。

将巷道布置在采空区上方多见于上行开采。上行开采先开采下部煤层，上部煤层回采巷道大多位于下层煤开采形成的断裂带或弯曲下沉带范围内，对上部煤层开采造成一定影响，影响程度与下部煤层采高、层间距、上下煤层开采间隔时间等多种因素有关[20-21]。为了避开断裂带及应力集中的影响，上部煤层回采巷道布置有内错式和外错式2种方式。外错式布置巷道应位于下部煤层采空区边缘外一定距离(图1位置3)，以避开煤层拉伸变形区；内错式布置巷道宜位于下部煤层采空区边缘以内5 m范围内(图1位置4)，避免巷道进入煤层拉伸变形严重区域，致使围岩破碎、难以保持稳定[22]。内错式布置巷道的另一种位置是避开采空区边缘台阶错动下沉带的影响，尽量不处于煤层下沉盆地的倾斜边界，而位于下沉盆地水平段(图1位置5)，巷道至采空区边缘的水平错距应不小于20 m[23]。另外，用于瓦斯抽采的高位巷、底板岩巷可布置在断裂带、弯曲下沉带的应力降低区内(图1位置6、7)。

将巷道布置在采空区边缘主要有2种方式：沿空掘巷与沿空留巷。沿空掘巷周围岩层结构与应力分布如图2所示[24]。沿空掘巷应沿已稳定的采空区边缘掘进，并设计合理的小煤柱宽度，保证巷道位于应力降低区(图2中位置1为完全沿空掘巷，位置2为小煤柱沿空掘巷)。沿空留巷从掘进到报废围岩变形可分为6个阶段：掘进影响→掘进影响稳定→第1个采煤工作面超前影响→第1个采煤工作面后方强烈影响→后方影响稳定→第2个采煤工作面超前影响等阶段。只有在第5个阶段，即第1个采煤工作面后方采空区上覆岩层活动稳定后，沿空留巷才能处于比较低的应力状态，选择合理的围岩控制方式，可有效控制沿空留巷变形与破坏[25]。

k—应力集中系数；γ—覆岩容重；H—埋深图2 沿空掘巷围岩结构及应力分布Fig.2 Rock structure and stress distribution of gob-side entry driving

将巷道布置在采空区内有采空区维护巷道和采空区掘进巷道等形式，如图3所示。前者是在工作面后方采空区中，采用巷旁支护隔离出所需巷道或原位留下工作面穿过的巷道[26]；后者是在已压实胶结的采空区重新掘进巷道。将巷道布置在采空区可使巷道处于应力降低区，但无论是采空区维护巷道还是掘进巷道，由于围岩破碎、与采空区连通，均需要特殊的施工工艺及支护加固措施，实际应用时，需要根据具体条件确定。

图3 采空区布置巷道的方式Fig.3 Pattern of entry layout in gob area

1.2 巷道围岩近场卸压法

巷道开挖以后，围岩应力会在一定范围重新分布，产生破碎区、塑性区、弹性区，出现应力降低区、应力升高区。根据弹性力学理论，对于双向等压下的圆形巷道，在距巷道中心5倍巷道半径的位置，围岩切向应力比原岩应力只高出5%，一般认为是巷道的影响半径。对于宽5 m、高3.5 m的矩形巷道，以外切圆半径计算，巷道影响半径为15.3 m。考虑到巷道有一定范围的破碎区、塑性区，影响范围会更大，巷道影响半径可达到20 m左右。笔者将此巷道影响范围定义为巷道围岩近场，超出该范围则为巷道围岩远场。

在巷道围岩近场实施的卸压技术有切缝、钻孔、爆破及掘卸压巷等方法，如图4所示。这些方法的卸压机理与影响因素[27-30]为：

图4 巷道围岩近场卸压方式Fig.4 Destressing pattern around near rock surrounding roadways

1) 在巷道浅部围岩形成一定的变形空间，局部改变围岩位移矢量方向与大小，减小围岩向巷道空间的位移。

2) 卸压的实施形成了局部应力场，改变了浅部围岩的应力分布，将浅部围岩的高应力向深部转移，使更大范围的围岩承载。

3) 卸压效果具有明显的空间效应。切缝位置、形状、方向、深度、宽度、有无充填，钻孔位置、方向、直径、深度、间排距，爆破位置、钻孔布置与参数，卸压巷位置、形状与参数等，均对卸压效果有明显影响。

4) 卸压效果具有明显的时间效应。巷道开挖与卸压技术实施的间隔时间显著影响卸压效果。对于掘巷期间就出现大变形的巷道，卸压实施越早越好。另外，随着时间加长，切缝、钻孔有可能闭合，爆破区会逐步压实，卸压效果会随时间推移而降低。

5) 卸压效果具有方向效应。在巷道底板实施的卸压技术有可能导致两帮位移增大，同样两帮实施的卸压技术也有可能导致顶底板位移增大，在卸压方案设计时应综合考虑。

1.3 巷道围岩远场卸压法

如前所述，巷道围岩远场是指巷道影响半径之外的范围。巷道围岩远场卸压法主要用于减小采煤工作面采动应力对巷道围岩变形与破坏的影响。我国煤矿巷道80%以上是回采巷道，不同程度地受到采煤工作面的采动影响。即使是大巷、准备巷道，有的也会受采动应力作用，导致巷道围岩大变形与破坏。因此，减轻采煤工作面采动应力对巷道的影响是采动巷道围岩控制研究的重要内容，是煤矿巷道围岩卸压法的显著特色。

巷道围岩远场卸压法涉及范围更广，除巷道近场围岩外，还包括采煤工作面上覆岩层分布，直接顶与基本顶强度、刚度与稳定性，采煤方法与工艺，采高、工作面长度、推进速度等开采参数及巷道与采煤工作面的时空关系等。卸压效果的影响因素远多于不受采动影响的静压巷道。

目前，巷道围岩远场卸压法主要有深孔爆破与水力压裂2种方法，将在下面相关章节进行详细论述。

2 爆破卸压法

爆破卸压法在煤矿井下已得到广泛应用，在高应力、强采动巷道围岩控制、冲击地压灾害防治等方面起到重要作用。按照前述的巷道围岩近场、远场的定义，可将爆破分为巷道围岩近场爆破和远场爆破。

2.1 巷道围岩近场爆破法

巷道围岩近场爆破是指实施在浅部围岩，爆破深度一般在15 m以内的爆破。按照卸压原理可分为松动爆破和切缝爆破。前者是通过在爆破区形成粉碎区、裂隙区，使围岩松动，原来处于高应力的围岩卸载，降低围岩应力分布的不均匀性，并使高应力向深部围岩转移；后者是采用聚能定向爆破，在设定的断裂方向形成连续分布的定向裂缝而切断顶板[31-32]，减小采煤工作面侧巷道上部悬顶对围岩变形的影响。按照爆破位置可分为顶板爆破、两帮爆破、底板爆破，如图4b所示。

爆破卸压效果的影响因素包括钻孔位置、长度、角度、间距，钻孔装药量、封孔长度等。爆破钻孔深度是一个关键参数，应深入到围岩浅部的高应力区，其设计与围岩强度、围岩结构、围岩应力及巷道断面形状与尺寸等多种因素有关。一般随着巷道埋深、巷道宽度的增加，钻孔长度应加长。在井下实际应用时，钻孔深度少则2～3 m，多则5～8 m，有的超过10 m。钻孔间距也是一个重要参数，比较合理的钻孔间距应使爆破后形成的松动破碎区能连续分布。井下采用的钻孔间距多为0.5～2.0 m。

对于定向切顶爆破，钻孔深度与间距是关键参数，应保证在顶板中形成连续裂缝，而且爆破切顶后垮落的碎胀岩石能充满采空区。已有的研究表明[33]，随着切缝深度增加，巷帮上方岩层应力逐渐减小，而且切缝越深，应力越小。深切缝可有效控制岩层应力分布、应力峰值及峰值点距切缝边缘的距离。山西一煤矿的实例分析得到，合理的切缝深度应能切断距煤层顶板10～15 m的坚硬岩层，15 m是最佳的切缝深度。定向切顶爆破钻孔深度一般为5～15 m，钻孔间距多为0.5 m左右。

2.2 巷道围岩远场爆破法

巷道围岩远场爆破是指实施在围岩深部，爆破深度超过巷道影响范围的爆破。根据巷道影响半径的估算结果，围岩远场爆破深度一般不小于15 m。与围岩近场爆破类似，远场爆破按照卸压原理也可分为松动爆破和切缝爆破；按照爆破位置也可分为顶板爆破、两帮爆破、底板爆破及多级次全断面爆破[34]。

顶板深孔爆破作为坚硬顶板处理、强采动巷道围岩控制及冲击地压防治的有效手段，已在井下大量应用[35]。通过顶板深孔松动爆破，可弱化巷道远场坚硬、完整顶板，改变顶板岩层结构与应力分布，降低爆破范围内围岩应力水平，促使采空区顶板及时冒落，减小工作面初次来压、周期来压步距及强度，从而减轻对回采巷道的动压影响。深孔定向切缝爆破与巷道围岩近场爆破中所述的定向切缝爆破原理相同。与松动爆破相比，定向切缝爆破的钻孔间距更小，以便切出要求的连续分布的定向裂缝。

巷帮煤层深孔爆破多为松动爆破，卸压原理与巷道围岩近场爆破相同，只不过要求的钻孔深度更大，应力转移的范围更大。

底板深孔爆破多应用于巷道底鼓控制及冲击地压防治。通过松动爆破在巷道底板形成卸压区，原来承受高应力的围岩应力、积聚的弹性能得以释放，使高应力区向围岩深部转移，达到减小底鼓、防治冲击地压发生的目的。

在沿空留巷过程中，为解决坚硬顶板带来的矿压问题而进行的顶板深孔爆破应用实例[36]如图5所示。顶板爆破钻孔分2种：沿工作面倾向、走向方向钻孔。倾向钻孔深度比较大，主要是松动爆破，减小工作面来压强度与步距。超前工作面每隔30 m布置1组3个钻孔，钻孔深度分别为81、59、16 m，仰角分别为14°、21°、39°，与巷道轴线的夹角分别为80°、80°、25°。走向钻孔深度相对较小，为20～36 m，与巷道轴线的夹角不超过10°。每隔60 m在煤帮侧开挖钻场，沿钻场两侧分别布置6个钻孔实施爆破切顶。上述爆破卸压方案实施后，明显减小了工作面周期来压步距及强度，沿空留巷围岩应力状态得到显著改善，围岩变形与破坏得到有效控制。

图5 沿空留巷爆破卸压钻孔布置[36]Fig.5 Layout of destressing blasting boreholes for gob-side entry retaining[36]

3 水力压裂卸压法

水力压裂技术较早应用于油气田开发，通过压裂储层提高渗透性，以提高油气产量与采收率。目前，水力压裂技术已广泛应用于其他领域，包括地应力测量、煤层气开发、地热开发及CO2封存等。

在煤矿开采中，水力压裂技术主要应用于瓦斯抽采中的低渗透煤层压裂增透，及岩层控制中的采煤工作面坚硬完整顶板弱化，高应力、强采动巷道围岩控制及冲击地压防治[37-38]。最近几年，水力压裂围岩卸压技术发展迅速，取得大量研究成果[39-40]。2008年以来，中煤科工开采研究院有限公司(煤炭科学研究总院开采研究分院)在国家863计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助下，开展了包括水力压裂裂缝扩展规律、水力压裂卸压机理、卸压方案与参数设计、压裂机具与设备及压裂效果检测等在内的煤矿井下水力压裂围岩卸压成套技术集中攻关，取得系列研究成果[41-48]，并在多个矿区得到成功应用。

水力压裂围岩卸压技术按实施的地点分为地面压裂和井下压裂。井下压裂按压裂规模又分为井下区域压裂和局部压裂。按照压裂岩层层位可分为高位、中位及低位压裂：高位压裂达到上位断裂带甚至弯曲下沉带；中位压裂达到中位断裂带；下位压裂在下位断裂带及以下层位。下面主要以中煤科工开采研究院有限公司取得的研究成果为主，论述围岩水力压裂卸压技术。

3.1 地面水力压裂法

煤矿地面水力压裂是在借鉴油气行业压裂技术的基础上发展起来的。于斌等[49-50]提出煤矿顶板地面水力压裂控制采煤工作面与巷道矿压的方法，从地面向采煤工作面100 m以上的高位坚硬顶板实施压裂，如图6所示，在坚硬岩层中形成裂缝网络，降低岩层强度和完整性，使坚硬顶板岩层在工作面采后易于垮落，从而减小工作面矿压显现及对回采巷道的采动影响。

按照钻孔布置，地面压裂可分为垂直孔压裂和水平孔压裂(图6)。水平孔压裂根据钻孔轴线方向与采煤工作面推进方向的关系，又分为平行、垂直及斜交工作面推进方向3种情况。大同矿区地面水力压裂坚硬顶板的实践表明[49]：垂直孔分级压裂裂缝扩展长度达250 m，水平孔分段压裂裂缝扩展长度为196～216 m，裂缝高度为43～50 m，裂缝可覆盖整个采煤工作面范围。压裂后工作面液压支架阻力降低21%，煤壁片帮率减少23%，回采巷道变形明显减小，取得良好的卸压效果。

图6 地面水力压裂坚硬顶板示意[49]Fig.6 Schematic diagram of hard roof hydraulic fracturing from ground surface [49]

与井下水力压裂相比，地面压裂空间大，可采用大型压裂设备，压力高、流量大，可压裂高位岩层，水力裂缝扩展范围大，可覆盖采煤工作面甚至更大范围的岩层。缺点是地面压裂设备比较昂贵，地面施工需要比较大的场地及交通、运输等设施，不像井下施工比较灵活。

3.2 井下区域水力压裂法

井下区域水力压裂在井下巷道或专门的钻场中实施。采用定向钻机在采煤工作面或巷道上方坚硬、完整岩层中钻进长水平孔，有时还需要射孔，然后进行分段压裂，起到弱化岩层、促进采后及时垮落及卸压的作用[51-52]。井下区域水力压裂钻孔布置有多种方式，如图7所示。常用的压裂钻孔布置方式是在与工作面推进方向垂直的巷道(如回撤通道)中，或在回采巷道中开掘专门的钻场，向目标岩层钻进水平孔(图7a)。在钻孔达到目标岩层高度前，需要钻进爬坡拐弯段钻孔，长度一般为100～150 m。水平孔的长度可达500～1 000 m。钻孔的间排距根据压裂岩层的厚度、岩性、强度、结构、地应力等岩层条件，及压裂工艺、参数、压裂设备的能力等确定，以形成有效的裂隙网络。另一种压裂钻孔布置方式是在工作面上方压裂岩层中布置专门的压裂措施巷(图7b)，巷道可垂直工作面推进方向布置，在巷道两侧钻进压裂孔，每侧钻孔深度可达1 000 m，两侧钻孔可覆盖范围达2 000 m，实现工作面上方大范围区域压裂。

图7 井下区域水力压裂钻孔布置Fig.7 Borehole layout of regional hydraulic fracturing in underground coal mines

井下长水平孔压裂也可仅在巷道上方实施，在顶板压裂目标层中沿巷道轴线钻进长水平孔，进行分段压裂，使长500～1 000 m的巷道卸压。陕西彬长矿区胡家河煤矿回采巷道水平长钻孔水力压裂卸压布置如图8所示。共布置4个钻孔，1、2号钻孔和3、4号钻孔分别位于回风巷、运输巷两侧的上部顶板砂岩中，距煤层高度分别为28、33 m。为了揭示区域压裂裂缝扩展形态，采用Xsite软件[53-54]建立数值计算模型，分析了单个钻孔(4号钻孔)压裂裂缝三维扩展特征。模型依据胡家河煤矿地应力测试结果及砂岩力学参数建立。模型尺寸为x×y×z=100 m×40 m×80 m。其中：x轴为东西向，y轴为南北向，z轴为垂直方向。模型为均质砂岩，未考虑岩性变化和结构弱面，主要用以分析主裂缝的扩展方向。模拟结果如图9所示。主裂缝近似为垂直缝，裂缝壁面近似垂直南北向，裂缝走向近似为东西向。通过与主应力方向比较，压裂裂缝宏观方位仍受地应力场控制。裂缝面近似垂直于最小主应力方向，以起裂点为中心在最小主应力法平面内向四周展布。裂缝扩展较为均匀，近似为较规则的椭圆状。可见，压裂裂缝可在一定范围内切断坚硬顶板岩层，减小坚硬岩层悬顶长度，降低作用在巷道的支承压力，保护巷道。

图8 彬长矿区胡家河煤矿回采巷道区域水力压裂钻孔布置Fig.8 Borehole layout of regional hydraulic fracturing for gateways in Hujiahe Coal Mine,Binchang Mining Area

图9 回采巷道区域水力压裂裂缝扩展数值模拟结果Fig.9 Numerical simulation results of regional hydraulic fracturing propagation for gateways

另外，除专门钻进水力压裂钻孔外，也可利用已有瓦斯抽采钻孔进行水力压裂卸压，实现抽卸结合、一孔多用，减少钻孔工程量[17]。

与地面压裂相比，井下区域压裂不需要地面场地，压裂设备体积相对较小，从巷道(钻场)到压裂目标层的钻孔工程量少，可根据井下采煤工作面与巷道布置情况灵活选择压裂施工地点，压裂岩层层位也能达到较大高度，压裂覆盖面积也能达到较大范围。

3.3 井下局部水力压裂法

井下局部水力压裂是在巷道中实施。采用普通钻机向采煤工作面或巷道上方目标岩层钻进倾斜钻孔并分段压裂，起到弱化顶板、巷道卸压的作用。与前述地面压裂、井下区域压裂相比，井下局部压裂的钻孔深度较小，压裂岩层的层位较低，压裂范围较小。但是由于施工设备体积较小、重量较轻，施工比较灵活方便。井下局部水力压裂钻孔基本上都是直孔。根据在钻孔中是否设置定向槽(缝)可分为普通压裂和定向压裂。前者钻孔后即进行分段压裂，不设置定向槽(缝)，裂缝扩展方向很多与钻孔轴线平行，有时并不是预期方向；后者采用切槽钻头或高压水射流在钻孔中形成与钻孔轴线垂直的槽或缝[55-56]，然后分段压裂，使压裂裂缝沿着切槽或缝的方向扩展，达到定向压裂的目的。

根据井下局部水力压裂的作用，可分为采煤工作面弱化和巷道卸压2类，如图10所示。采煤工作面顶板压裂可在开切眼中进行，主要用于初次放顶[57-58]；也可在回采巷道中实施，减轻工作面矿压显现，而且对回采巷道的稳定性也有利。

图10 井下局部水力压裂钻孔布置方式Fig.10 Borehole layout of local hydraulic fracturing in underground coal mines

巷道卸压按压裂地点可分为本巷压裂与邻巷压裂。本巷压裂是超前采煤工作面在回采巷道靠煤体一侧钻进与巷道轴线呈小角度的向上倾斜钻孔，同时在工作面侧也可布置钻孔进行压裂，使工作面采过后顶板能及时垮落，减小工作面后方及侧向的悬顶长度，从而减轻工作面超前支承压力范围与大小[59]。对于沿空留巷，可在设置巷旁支护的一侧向顶板倾斜钻孔并分段压裂，切断或弱化完整、坚硬顶板，使巷旁支护外侧的悬顶长度减小，降低基本顶回转引起的巷道顶板下沉量及巷旁支护载荷[60]。邻巷压裂是在被保护巷道的相邻巷道中进行压裂，多用于工作面多巷布置的复用巷道。采用UDEC数值模拟软件计算得到的巷道顶板有无水力压裂卸压的应力分布如图11所示。无压裂时，在煤柱、巷道左上方顶板均出现了很高的应力集中。水力压裂后，煤柱中的高集中应力区几乎消失，左上方顶板中的应力集中区域也明显缩小，使高应力转移到压裂区上方，起到保护巷道的作用。同时，压裂区顶板岩层裂纹扩展发育，有利于采空区上方顶板及时垮落。

图11 巷道有无水力压裂的围岩应力分布Fig.11 Rock stress distribution around entry before and after hydraulic fracturing

水力压裂卸压效果取决于压裂钻孔布置方式及参数、是否切槽(缝)、压裂参数及工艺等。局部压裂常用的钻孔长度为20～50 m，钻孔间距10～15 m，钻孔与巷道轴线的夹角和仰角根据具体情况确定。为保证压裂不影响巷道锚杆、锚索支护效果，钻孔最下端的压裂段必须高于锚索锚固层位。

4 应用实例分析

4.1 井下区域水力压裂应用实例

4.1.1地质与生产条件

井下区域水力压裂试验地点为陕西煤业化工集团榆北煤业公司曹家滩煤矿122108工作面。该工作面开采2-2煤层，埋深255～338 m，煤层厚度8.08～12.36 m。采用综放开采方法，割煤高度6 m，按煤层厚度10 m计算，放煤高度4 m,煤层顶板岩层分布如图12所示。顶板砂质泥岩、粉砂岩强度较低，而砂岩层的强度较高且完整，煤层顶板0～43 m、60～120 m处存在厚硬岩层。

图12 曹家滩煤矿2-2煤层顶板岩层分布Fig.12 Roof strata distribution of coal seam 2-2 in Caojiatan Coal Mine

工作面初采时，初次来压步距达150 m以上；正常回采期间，部分地段周期来压显现强烈，强动载形成冲击，造成部分支架损坏，回采巷道出现明显变形。为此，开展了特厚煤层特厚坚硬顶板区域压裂技术研究，为工作面安全、高效开采提供保障。

4.1.2区域水力压裂设计

122108工作面矿压显现强烈的本质原因是开采煤层厚度大，上覆多层坚硬、完整岩层不易及时垮落，造成大面积悬顶。因此，工作面强矿压治理首先应找准压裂的目标层，然后设计合理的钻孔布置及压裂参数，通过水力压裂改造目标层，达到控制强矿压的目的。

顶板岩层原位地质力学参数测试，是确定压裂目标层及压裂参数的基础，为此开展了顶板岩层强度测试，岩层钻孔窥视，地应力测量及小型水力压裂测试。岩层原位强度测试及钻孔窥视结果表明，粉砂岩抗压强度20～30 MPa，砂岩单轴抗压强度多在50～60 MPa，且砂岩顶板层理不发育，致密、完整。地应力测量结果为：最大水平主应力σH为24.9 MPa，最小水平主应力σh为13.4 MPa，垂直应力σv为8.1 MPa，地应力场类型属于σH>σh>σv，水平应力占优势，压裂过程中水平裂缝扩展更容易。小型水力压裂测试钻孔直径95 mm，仰角76°，孔深100 m，分段、分层位测试顶板岩层的压裂曲线，确定岩层的可压性。

基于上述地质力学参数原位测试及小型水力压裂测试结果，综合考虑各种因素，确定压裂目标层位共3个：距离煤层顶板10、23、38 m。压裂钻孔布置如图13所示。压裂范围沿工作面走向共1 000 m，分2期施工，每期500 m。在正常地段距离煤层顶板10、23、38 m层位分别布置1排钻孔，共3排钻孔，钻孔数量分别为6、5、6。在回风巷上方布置2个钻孔，在主运输巷上方附近也布置了2个钻孔。另外在回撤通道附近顶板布置了3个钻孔。总工程量为：7个钻压场，38个定向钻孔，钻孔进尺18 654 m。

图13 曹家滩煤矿井下区域水力压裂钻孔布置Fig.13 Borehole layout of regional hydraulic fracturing in Caojiatan Coal Mines

采用的定向钻孔和压裂设备主要包括履带式全液压定向钻机、大流量高压泵、压裂工具串、工况监测、安全监控仪器等。

4.1.3区域水力压裂效果分析

1) 水力压裂缝网展布分析。为分析区域水力压裂缝网展布情况，采用地面微震仪实时监测了压裂过程，共使用25台微震仪，监测井下范围为：倾向长度280 m×走向长度1 000 m。图14是F1钻压场4个钻孔(F1-1、F1-2、F1-3、F1-5)的缝网展布图。图中不同颜色代表压裂破裂释放能量与背景噪音能量之比。裂缝在钻孔两侧、前后及上下均有一定范围的扩展，其中以在平面内扩展为主。F1-1钻孔压裂孔段长218 m，最大破裂长度约340 m。缝网展布在钻孔两翼，两翼平均长度约80 m。

图14 曹家滩煤矿井下区域水力压裂缝网展布图Fig.14 Fracture network spread distribution of regional hydraulic fracturing in Caojiatan Coal Mine

2) 水力压裂卸压效果分析。为合理评价区域水力压裂卸压效果，采用工作面矿压监测预警平台、钻孔应力计、井下微震监测系统等对工作面周期来压情况，液压支架工作阻力及动载系数，工作面超前支承压力，工作面顶板下沉及采高变化，回采巷道围岩变形情况进行了监测。工作面压裂前后矿压监测结果及对比分析见表2。

注：括号内为降幅百分比。

可见，压裂后工作面周期来压步距、持续距离减小，强动载来压大幅降低，液压支架工作阻力、动载系数及超前支承压力均有不同程度的降低。顶板下沉量减小0.8～1.0 m，采高基本保持在5 m以上。顶板破断的微震监测结果表明：压裂前，超前工作面200 m范围内，微震事件频次为12.37个/m，单次来压微震事件平均97.75个；压裂后，超前工作面100 m

范围内，微震事件频次为6.23个/m，单次来压微震事件平均41.67个。压裂后，顶板破断频次降低，顶板超前破断距离减小，大能量事件降低53.5%。

回采巷道围岩变形以底鼓为主，主要发生在超前回采工作面50 m左右的范围内。采用区域水力压裂技术后，巷道底鼓量减小1/3以上，维护状况得到明显改善。

综上所述，区域水力压裂技术有效控制了工作面强矿压，显著降低了液压支架损坏率，并有利于回采巷道维护，为工作面安全、高效生产提供了保障。

4.2 井下局部水力压裂应用实例

井下局部水力压裂试验地点为伊泰红庆河煤矿3-1101工作面，巷道布置如图15a所示。工作面布置3条回采巷道，其中辅助运输巷复用。巷道埋深700 m 左右，开采煤层平均厚度7 m。煤层直接顶为厚9.2 m 的粉砂岩，之上依次为厚14.6 m的细砂岩、厚5.7 m的砾岩及厚21 m的中砂岩，其中细砂岩、砾岩比较坚硬、完整。

图15 红庆河煤矿工作面巷道与水力压裂钻孔布置Fig.15 Layout of gateways and hydraulic fracturing boreholes in Hongqinghe Coal Mine

运输巷与辅助运输巷均为矩形断面，宽度5.9 m，高度4 m，采用锚杆、锚索支护。两者之间的煤柱宽度为30 m。由于辅助运输巷受本工作面超前和滞后采动、下一个工作面超前采动影响，围岩变形大，底鼓严重，仅采用增加支护密度、锚杆锚索强度的方法很难有效控制巷道大变形。考虑到煤层顶板存在厚硬岩层，本工作面采过后靠煤柱侧上方的悬顶不易垮落，将集中应力施加在煤柱上，是导致辅助运输巷变形破坏的主要原因，为此，开展了水力压裂弱化坚硬顶板的试验。

压裂试验巷道长度1 000 m，压裂钻孔布置在运输巷靠辅助运输巷一侧的煤柱旁，超前工作面一定距离实施。根据煤层顶板岩层分布确定钻孔和压裂参数。沿运输巷轴向钻孔，与其轴线的夹角为5°，钻孔间距10 m。钻孔直径58 mm，长50 m，倾角50°，压裂高度为煤层顶板以上35.3 m(图15b)，覆盖了细砂岩、砾岩及部分中砂岩。采用后退式单孔多次压裂，距孔口垂直距离9 m停止，以保护锚杆锚索支护。采用的压裂设备包括高压注水泵、高压跨式封孔器、水压与流量采集仪等。

对未压裂和压裂的辅助运输巷进行了矿压监测，包括煤柱应力、辅助运输巷围岩变形等。煤柱应力监测结果如图16所示。未压裂段，至工作面60 m应力显著增加，采过36 m最大，后迅速降低，最大应力集中系数为2.9；压裂段，至工作面70 m应力增加，采过130 m达到最大，最大应力集中系数2.3，明显小于未压裂段。巷道变形监测结果表明：未压裂段，顶板下沉、底鼓和两帮移近量分别为295、1 200、725 mm；压裂段，顶板下沉、底鼓和两帮移近量分别为190、300、475 mm，分别降低35.6%、75%、34.5%。可见，水力压裂卸压控制辅助运输巷变形的效果比较显著。

图16 红庆河煤矿回采巷道有无水力压裂煤柱应力分布Fig.16 Coal pillar stress distribution along gateway with and without hydraulic fracturing in Hongqinghe Coal Mine

5 结论与展望

卸压法是高应力、强采动巷道围岩控制的有效手段。经过多年的研究与实践，已形成了包括巷道布置法、巷道围岩近场卸压法及远场卸压法在内的巷道围岩卸压技术体系。将巷道布置在应力降低区是首选的、最有效的卸压法，可根据具体条件将巷道布置在采空区下方、上方、边缘及采空区内。巷道围岩近场卸压主要有切缝、钻孔、爆破及掘卸压巷等方法，通过在浅部围岩形成一定的变形空间，减小围岩向巷道空间的位移，同时将浅部围岩高应力转移到深部，使更大范围的围岩承载。巷道围岩远场卸压法主要采用深孔爆破、水力压裂等方法，通过切断或弱化顶板减小工作面采动应力对巷道围岩变形与破坏的影响。这些方法已经不同程度地应用于煤矿井下，多个矿区取得较好的围岩控制效果。特别是水力压裂技术，近年来得到比较广泛的应用，成为采煤工作面坚硬顶板弱化、强采动巷道围岩卸压的有效措施。

尽管巷道围岩卸压理论与技术取得了长足发展，也解决了很多巷道围岩控制难题，但随着煤矿开采深度、强度不断增加，对卸压技术提出更高的要求，还需继续研究与实践。主要包括以下方面：

1) 研发巷道卸压技术实验室模拟试验平台，试验研究不同卸压方式，特别是爆破、水力压裂等对围岩弱化及应力转移的作用。

2) 进一步研究不同卸压法的卸压机理。如对于水力压裂技术，裂缝扩展形态非常复杂，且受多种因素影响。应进一步研究水力压裂裂缝开启、扩展规律，及岩层强度、结构、渗透性及地应力等参数对裂缝扩展的影响。从时间和空间上深入研究水力压裂对高应力、强采动巷道围岩应力转移和调控的机理。

3) 进一步研究不同卸压法的适应条件。不同的卸压法适用于不同的巷道条件。井下实践中发现，有些卸压法在一定条件下效果良好，但巷道围岩地质条件发生变化后，卸压效果就会变差。有的卸压法在实施初期卸压效果明显，但随着时间的推移，卸压作用越来不明显。应从时间和空间上进一步深入研究各种卸压法的适应性。

4) 目前，各种卸压法方案与参数设计主要依靠经验，还处于定性设计阶段。应在深入研究各种卸压法卸压机理的基础上，进一步提高卸压法设计的科学性、合理性和准确性，逐步实现卸压参数的定量化设计。

5) 各种卸压法不同程度地存在施工工艺复杂、施工速度低等问题。应进一步优化施工工艺，开发自动化、智能化卸压施工机具与设备，减少现场作业人员，提高卸压施工速度、效率与效果。

6) 卸压效果的分析评价还存在很多问题。如对于水力压裂技术，目前还没有准确监测裂缝起裂、扩展的仪器，急需开发裂缝扩展方向、路径、开度等裂缝参数的监测方法及设备，以便能够准确评价水力压裂效果。

7) 目前还很少有卸压法的相关标准与规范，卸压方案与参数设计、施工、监测、效果评价等没有统一的规定，不利于井下推广应用和施工标准化、规范化，应加快卸压法标准与规范的制订。

8) 不断探索新的卸压法，扩大卸压法的应用范围。如针对受水影响明显的岩层，可研发应用无水压裂技术，包括超临界CO2、N2等气体压裂技术。