沿空掘巷水力压裂技术护巷研究

王冬阳

（冀中能源 邢矿集团，河北 邢台 054000）

0 引 言

沿空掘巷不但能够增加煤矿资源的回收率，还能在巷道的应力分布以及维护条件等方面优于设置宽煤柱，被广泛运用于煤矿。为减少相邻工作面采掘活动给沿空掘巷带来的扰动影响，一般在相邻工作面动压稳定后进行沿空掘巷作业。如果为单翼采区，且同时受采掘接替紧张影响，在相邻工作面回采完成后或者还未结束就直接开始下一个工作面的掘进，这时就需留一定宽度的区段煤柱，控制它对掘进的干扰，这样不但影响煤矿的回收率，也给巷道维护增加了难度。在不稳定采空区边部进行沿空留巷掘进主要受到了上一个区间工作面回采产生的动压影响，巷道同时会遇到顶板岩石开裂、下沉等，给巷道维护带来压力。目前这种单翼开采的采区，采掘矛盾日益凸显。对此利用水力压裂切顶技术来研究相邻工作面回采完成后，就直接开始下一个工作面的掘进。

1 概 况

冀中能源股份公司东庞矿西庞井位于河北省内丘县境内，目前仅开采9号煤，采用立井单水平开拓。西庞井9119工作面位于北翼扩延区一采区，该工作面煤层结构复杂，沉积稳定，一般含多层夹矸。92煤厚度为2.15～2.44 m，平均为2.33 m，92煤与93煤夹矸为炭质泥岩，厚度在0.68 m左右，93煤厚度为2.55～3.10 m，平均为2.83 m，含一层厚度为0.05 m左右的泥岩夹矸。老顶为大青灰岩，平均厚度5.01 m，相邻顶板为活动尚未稳定的9118采空区，工作面走向长度883 m，倾斜长度90 m，9119皮带巷与9118轨道巷煤柱6 m左右。

9119综放工作面所有巷道均采用锚梁网加锚索联合支护形式，9119皮带巷设计规格为上宽×下宽×中高＝4.2 m×4.5 m×2.9 m，巷道顶部采用自制六眼梯型梁、L2 400 mm，φ22 mm螺纹钢锚杆配铁托盘、铁丝网支护，梯型梁排距为850 mm，锚杆间距780 mm。巷道帮部使用4～5根φ16 mm、L1 800 mm反麻花头铁锚杆（高度超过3 m时使用5根），分别配铁托盘、梯型梁、金属网支护，锚杆间距900 mm，排距850 mm；顶部采用双排锚索平行布置以加强支护，两排锚索布置于巷道中心线两侧各900 mm处，锚索间距2 000 mm。顶锚杆每孔装配CK2335和K2360型锚固剂各1卷，加长锚固；帮锚杆每孔配1卷K2360型锚固剂，端头锚固；锚索使用4卷锚固剂：1卷CK2335和3卷K2360树脂药卷，装药卷时超快速锚固剂要装在孔底。

受9119工作面超前动压及9118工作面采空区应力叠加影响，9119皮带巷出现了较严重的围岩变形。为保证9119皮带巷稳定，减少巷道维护工作量，对9119皮带巷超前工作面已实施顶板定向水力压裂卸压前期试验，取得了很好的效果。

2 水力压裂切顶护巷技术

2.1 主要工序

水力压裂包括钻孔、封孔、高压水压裂、保压注水、压裂监测等主要工序。按设计施工钻孔，然后由中心管和封隔器胶筒组成水路通道，利用高压泵向中心管注入高压水，通向压裂段，通过水的高压压裂岩孔，用水压致裂数据采集仪实时监控压裂过程，记录流量和压力变化曲线，预裂缝起裂后水压会有所下降，继而注水达到保压阶段，在这个阶段，裂纹扩展的同时伴随着新裂纹的产生，利用流量计监测流量及注入的水量，保证顶板岩层充分弱化和软化，实现切顶护巷。

西庞井9119工作面皮带巷钻孔布置双排，第1组钻孔布置在上帮顶角，钻孔深度为45 m，孔间距为15 m，钻孔仰角为45°，钻孔水平投影与巷道夹角为70°。第2组钻孔布置在巷顶中间位置，钻孔深度为45 m，孔间距15 m，钻孔仰角为40°，钻孔水平投影与巷道夹角0。第1组和第2组钻孔交错布置，预计施工压裂孔32个。钻孔水压裂位置以8号煤以上的粉砂岩和大青灰岩层为主，压裂岩层厚度约为16 m，每孔压裂间隔3 m左右，每孔自孔底向外压裂至孔深10 m处，每孔压裂次数预计10次。9119工作面钻孔参数见表1。

表1 9119工作面钻孔参数Table 1 Drilling parameters of No.9119 Face

2.2 压裂安全措施

钻孔施工要求钻孔尽可能平直，避免大幅拐弯导致无法实施压裂；封孔器分隔段位置为钻孔预开槽段及岩层完整段；水力压裂从钻孔底部向孔口逐次压裂，即倒退式压裂法；压裂过程中，需安排专人检查压裂孔周围顶板，当有大量水从顶板中流出时，停止压裂；压裂前需拉警戒线，严禁人员从压裂钻孔前通过，以防注水管从钻孔中窜出造成伤人事故；钻孔人员要携带便携仪，在施工前检查作业点附近有害气体浓度，确保安全方可施工；高压泵处和压裂作业地点设置信号铃等通讯设备，用于实时交流。

2.3 实施效果

西庞井9119皮带巷施工顶板水力压裂巷道240 m，顶板水力压裂卸压施工后，动压影响范围内的巷道平均减少扩帮、卧底量约500mm，每米整修需6个工，每工按220元计算，人工费31.68万元，支护材料费350元/m，材料费8.4万元，节约巷道整修费用40.08万元。扣除顶板水力压裂卸压施工，节约费用17.29万元。

3 结 论

（1）随着煤矿开采强度的提高，动压巷道的变形速度快、顶帮变形量大等特点日趋显现。水力压裂卸压技术对动压巷道卸压有着显著效果，能够有效控制沿空留窄煤柱巷道的变形问题，具有较好的经济效益和社会效益，对周边及类似条件矿井具有示范意义。

（2）该项技术控顶效果显著，可有效切断整体和稳定的顶板岩层，将巷道附近的高应力切断，降低巷道附近应力，使巷道处于低压区，压裂后，巷道变形显著减小，有效改善了煤柱应力状态，对于维护动压巷道稳定性有重要意义。

（3）实施水力压裂卸压技术后，巷道顶板压力大幅降低，减小了矿井巷道的返修率和减少扩帮卧底对底板带来的透水、突水的危害，还可以降低材料消耗及人工投入，减少了维护工作量。在此技术的基础上，探索水力压裂卸压沿空留巷技术，采取实现无煤柱开采，不留区段护巷煤柱，可增加煤炭回收率，具有较高的推广价值。