水力压裂切顶卸压技术在南庄煤矿应用与实践

聂 飞

（南庄煤炭集团南庄分公司，山西 阳泉 045000）

1 概况

南庄煤矿8824 工作面（中段）位于15#煤层，平均厚度5.8 m，倾角0°～11°，上部为12#煤采空区。8824 工作面是一个孤岛工作面，工作面存在断层1 条、陷落柱3 个。煤层基本顶为5.38 m 细砂岩，直接顶和直接底板均为泥岩，厚度分别为8.3 m 和9.43 m。

8824 回风巷在服务期间受动压影响阶段可分为三个阶段：上区段工作面超前动压影响阶段、上区段工作面滞后动压影响阶段和沿空掘巷阶段。

（1）上区段超前采动影响阶段：上区段超前采动导致8824回风巷围岩变形严重，应力集中明显，在巷道掘进期间和服务期间均发生严重变形，支护难度极大。

（2）滞后动压影响阶段：8824 回风巷与上区段回采工作面水平方向重叠导致上区段工作面顶板垮落不及时，上区段工作面顶板出现破断不彻底、弯曲下沉，与冒落矸石接触后存在缓慢位移，该滞后动压对8824 回风巷的应力分布影响较大。该阶段仅靠围岩浅部支护难以实现对巷道的有效控制，需采取措施从顶板深部改变巷道应力赋存环境。

（3）沿空掘巷阶段：上区段回采引起的侧向支承应力趋于稳定，而沿空掘巷导致巷道应力重新分布。该阶段巷道的支护难度关键在于巷道的表面和浅部变形。

2 传统卸压方法

2.1 传统卸压方法简述

（1）切缝。主要采取底板切缝方式，切缝深度对卸压效果有重要影响，切缝深度一般应大于底板宽度的一半。通过切缝的施工实现巷道底板水平应力的切断，并由浅部向深部转移，但是随着底板岩层向切缝空间的移动往往导致两帮移进量和顶板下沉量增加，导致巷道的整体稳固性受到影响。

（2）钻孔。钻孔卸压如图1，与巷道开挖的作用原理相似，通过施工大孔径钻孔实现应力的重新分布，周围岩体向孔内移动，产生松动区和塑性区。

图1 钻孔卸压示意图

（3） 松动爆破。通过在巷道的底板和两帮施工炮孔，并采用煤矿许用炸药进行松动爆破，致使形成局部裂隙进行卸压，达到巷道底帮应力向深部转移的目的，起到减弱巷道周边围岩应力集中、保护围岩的效果。

2.2 存在的弊端

传统卸压方法在南庄煤矿均进行过试验应用，应用效果表明上述方法的实施在一定程度上能够起到改变围岩应力分布状态、缓解动压显现的效果，并且能够实现巷道或者工作面周边的高应力区的转移释放，但存在工程工作量大、施工成本高、卸压效果不显著等问题。切缝或打孔方式的弱化效果较差，尤其是在坚硬顶板卸压方面作用不明显；松动爆破方式的安全性较低，并且爆破效果难以控制。鉴于以上原因，上述三个传统卸压方法并未在南庄煤矿全面推广应用。通过综合分析，研究运用了水力压裂切顶卸压技术。

3 水力压裂切顶卸压技术

3.1 水力压裂切顶卸压作用原理

采用水力压裂切顶卸压技术[1-5]对坚硬顶板水力分段多次压裂和注水软化，其作用主要体现在两个方面：（1）压裂卸压作用。通过对钻孔高压注水并封孔，导致压裂裂缝的扩展延伸，破坏顶板的整体稳固性，削弱上覆岩层储存的高应力，减小煤柱应力集中效应，实现悬臂区顶板的按期有序垮落；（2）注水软化作用。注水顶板在持续的高压水的作用下，顶板岩石持续吸水弱化，强度降低，有利于顶板的及时垮落卸压。

3.2 水力压裂控顶技术优势

与传统卸压技术相比，水力压裂控顶技术具有安全性高、钻孔数量少的优势，作业效率较高；并且水力压裂控顶技术能够在不对正常的回采工艺产生干扰的前提下，实现顶板的快速卸压，具有实施速度快的特点[6-9]。

4 水力压裂切顶卸压技术的应用

4.1 水力压裂钻孔设计

4.1.1 设备选型

钻孔钻进选用液压坑道钻机，钻头选用KZ54型切槽钻头，钻头结构如图2。该切槽钻头外径为54 mm，施工钻孔直径56 mm，切槽直径为钻孔直径的2 倍，能够适用于硬度系数f=15 的坚硬岩石的横向切槽。根据顶板岩层强度特征并考虑裂纹扩展过程中的滤失、变向及多裂缝扩展因素，设计采用3ZSB80/62-90 型高压水泵，注水压力为80 MPa，流量为80 L/min。

图2 KZ54 型切槽钻头

4.1.2 钻孔布置参数和注水参数

选择8824 回风巷布置单排钻孔6 个，孔距为10 m，孔径56 mm，孔深50 m（压裂段长度37 m、非压裂段13 m），钻孔角度50°，垂直高度38 m，如图3 所示。为保证巷道支护架构的稳定性，在钻孔浅部区域（0～13 m）不进行注水压裂，为确保压裂效果在13～50 m 范围每隔3 m 压裂一次，单孔实施压裂13 次，压裂作用持续时间不小于30 min，注水量80 L/min。

图3 压裂钻孔剖视图和俯视图（m）

4.2 施工工艺注意事项

4.2.1 压裂钻孔施工注意事项

钻孔采用钻头直径56 mm 的全液压矿用地质钻机，整个钻孔开槽与打孔过程中需采用高压水冲洗，保证孔内无岩屑。钻孔钻进过程中须注意控制钻进速度和钻机压力，保证钻孔的光滑、平直。

4.2.2 封孔注水压裂注意事项

封孔注水压裂过程主要包括封孔工艺和高压注水工艺。

（1）封孔工艺。封孔过程：连接安装封孔器后，需进行打压试验，打压手动泵至10 MPa，观察封孔器能否保压；若封孔器压力明显下降或者钻孔中水流快速流出，则须进行重新封孔；手动泵打压完毕后，须立即关闭两个截止阀，防止封孔器中的水倒流。

（2）高压注水工艺。高压注水压裂过程：压裂区域在注水孔40 m 以外设置警戒，钻孔周边不得站人，以防止注水管在高压作用下窜出伤人；高压水泵注水期间缓慢加压，并注意观察水泵压力；加压至预裂缝开裂时，采取保压措施且保压时间≥30 min，利用水压的持续作用达到裂纹扩展、软化顶板的目的。加压期间需注意观察巷道顶板、煤帮，出现渗水或水流冒出则停止压裂。

4.3 应用效果

为检验8824 工作面回风巷水力压裂切顶卸压效果，开展了水力压裂地段和非水力压裂地段矿压对比监测。监测结果表明，开展水力压裂地段的巷道顶底板、两帮相对移近量较小，说明在8824 工作面回风巷试验应用的水力压裂技术能够起到压裂、软化顶板、破坏顶板的整体稳固性的作用，实现倾斜切割悬臂区顶板的按期垮落，有效解决了悬臂区应力集中问题，达到了卸压目的。

5 结论

水力压裂技术在南庄煤矿8824 工作面回风巷应用表明，利用高压水形成压裂裂缝并在保压作用下持续扩展，对煤层悬臂区形成有效的压裂和软化作用，破坏顶板的整体稳固性，能够实现悬臂区顶板的按期有序垮落。