采煤工作面水力切顶卸压护巷技术应用

2022-09-14 07:06:32司广宏

山西焦煤科技 2022年8期

司广宏，王刚，李钢

(潞安化工集团余吾煤业公司矿压治理研究中心，山西长治 046100)

余吾矿主采3#煤层，矿井西翼采区在煤层中布置有5条永久大巷，担负整个采区的通风、出煤及物料运输任务。在采煤工作面末采时期，5条大巷受回采动压扰动影响，会发生不同程度的顶板下沉、帮鼓及底鼓变形，同时伴随有支护失效现象，给安全生产带来隐患。采煤工作面回采期间，在煤层上方坚硬顶板形成的传递岩梁作用下，工作面前方巷道会受到超前支承应力影响，产生不同程度变形[1]. 根据相关研究及现场经验，采煤工作面动压影响范围至少有数十米[2-3]，而工作面前方微震活动规律表明，影响范围甚至可达到数百米[4-5]. 针对煤层巷道群易受回采工作面末采阶段动压扰动难题，在余吾矿N1206工作面末采阶段开展了高压水力切顶卸压试验。

1 工作面概况

余吾矿N1206工作面标高+440 m～+465 m，煤层平均厚度6.4 m，胶带顺槽长1 013 m，回风顺槽长954 m，切眼平距254 m. 煤层直接顶为0.96 m厚的砂质泥岩，基本顶为3.7 m厚的粉砂岩，其上仍有多层较厚的中粒砂岩及粉砂岩，总厚度达到19.07 m，顶底板岩性特征见表1.

表1 N1206工作面顶底板岩性特征表

工作面停采线距离西翼2#回风大巷最短距离151 m，最长距离196 m，工作面末采阶段布置图见图1.

图1 N1206工作面末采阶段位置图

2 技术原理

高压水力压裂技术可以削弱煤层上方坚硬岩层的完整性，进而减少工作面前方传递应力，同时使巷道附近的高应力转移至实体煤岩的深部，最终达到主动卸压目的，减缓巷道变形，是矿山压力控制的重要手段[6]. 利用大功率钻机对需要压裂的顶板打孔至特定深度，再换装特制的钻头在孔底开槽形成定向切口，之后对切口段封孔并注入高压水，在高压水的作用下，切口端部产生极高的拉应力致使岩层产生定向的扩展裂隙，最终破坏岩层的整体性。根据工作面顶板岩性情况，压裂孔的垂深应最大程度覆盖坚硬顶板范围，以取得较好的卸压效果。

3 施工方案

N1206胶顺辅运巷和N1206胶带顺槽需要压裂段长度约260 m，总共布置28个水力压裂钻孔。其中，N1206胶顺辅运巷布置21个钻孔(1#—21#)；N1206胶带顺槽布置7个钻孔(22#—28#). 钻孔间距10 m，采用d56 mm钻头，利用ZLJ250地质钻机进行钻进，钻孔深度42 m，1#—21#钻孔仰角45°，22#—28#钻孔仰角55°，开口位置距顶角0.5 m. 巷道顶板水力压裂钻孔布置见图2.

图2 N1206水力压裂钻孔布置图

4 监测数据分析

为全面监测N1206工作面水力压裂效果，分别在N1206胶顺辅运巷压裂段、西翼进风大巷及西翼2#回风大巷内布置3组锚杆(索)测力计和30组表面位移测站。从工作面收尾至支架回撤结束，对布置的矿压监测测站数据进行不间断收集。

1) 锚杆(索)受力分析。

锚杆(索)受力情况见表2.

表2 锚杆(索)受力情况统计表

从表2可看出，回架后锚杆(索)受力数据整体呈上升趋势，增量2.3～21.7 kN. 说明回架后基本顶进一步断裂，支承应力峰值前移，造成锚杆(索)受力值上升。由于提前采取了水力压裂施工，巷道锚杆(索)受力数值增幅并不大，且现场未发现锚杆(索)崩断等明显来压现象。

2) 表面位移数据分析。

巷道表面位移情况见表3.

表3 巷道表面位移情况统计表

从表3可得出以下结论：

a) 回架前4个月内巷道两帮位移量在0.22～0.36 m波动，且没有稳定，每月位移增量在0.05～0.09 m；回架后3个月内两帮位移量在0.2～0.26 m波动，巷道变形较大，平均每月位移增量在0.07～0.09 m；回架3～6个月内巷道两帮平均每月变形量为0.04～0.06 m，10个月内两帮总体变形量达到0.55～0.75 m.

b) 巷道顶底板位移量与两帮位移量相差不大，10个月累计移近量达到0.50～0.67 m，主要以底鼓变形为主。与两帮变形规律相似，顶底板在工作面收尾期与回架期变形较大，回架结束后最终变形速度稳定在每月移近0.02～0.05 m.

c) 对比以往N1102工作面回采完毕(未采取水力压裂措施)矿压监测结果，巷道两帮移近量1.2～1.4 m，顶底板移近量1～1.2 m，采取水力压裂切顶措施后，巷道两帮位移量减小至0.55～0.75 m，顶底板移近量减小至0.50～0.67 m，巷道变形量减少近一半。可见水力压裂技术可减缓综采工作面对大巷的矿压扰动影响，在减少零散修巷工程量、延长巷道服务期限方面效果显著。

5 结论