邻采空区深部高应力回采工作面超前动压治理技术研究

文/戎生权

煤矿深部邻空巷道在回采过程中同时受本工作面和相邻工作面动压影响，巷道超前变形量大且影响范围广，后期需要大量维护工作，严重影响矿井安全生产。针对山西焦煤霍州煤电集团李雅庄煤矿2-6101巷回采超前巷道变形情况，提出利用水力压裂技术预裂关键坚硬岩层，降低顶板的整体性和稳定性，减少回采超前应力传递。试验结果表明,通过对回采超前顶板关键层进行水力压裂，降低了回采超前支承压力，巷道变形得到改善，大幅减小了巷道变形量和超前维修量，防范了安全风险，提升了生产效益。

一、工程概况

李雅庄煤矿现开采2#煤层，2-610工作面平均埋深550m，煤层平均厚度为3.3m，夹矸厚0.3m左右，工作面顺槽长1800m，煤层倾角5°～13°，平均6°，煤层硬度（f）为0.6～1。

2-6101巷与相邻的2-612工作面采空区净煤柱20m，2-612工作面回采结束约1年。因此，2-6101巷掘进时为沿较稳定的采空区边缘掘巷，巷道矿压较小，支护效果较好。但在2-610工作面回采期间，2-6101巷超前两帮和顶底板出现大幅度变形。受本工作面回采和相邻工作面应力影响，回采巷道超前影响范围达150m，超前60m范围内巷道变形剧烈，顶底板移近量达1.5m，两帮回缩达1.7m，无法满足回采正常使用，严重影响安全生产。巷道返修量大，巷道需要进行两次起底才能达到1.8m的安全高度，才能保证安全通行和设备列车移设，严重制约回采效率和速度。回采超前60m范围采用单体柱配套π梁“一梁四柱”形式加固，超前60m至150m范围采用单体柱配套π梁“一梁两柱”形式加固，回采超前巷道维护工作量大，出现多处单体柱被压死、压断、压弯，π梁普遍严重弯曲变形，甚至压断。处理和更换压死、压断的单体柱和π梁需要投入大量的人力和物力。

为降低煤矿深部邻空巷道超前动压影响，提出采用超前切顶卸压的措施，以降低本工作面回采的超前支承压力。在2-610工作面回采约800m时，在2-6101巷采取水力压裂切顶技术，减小其回采超前影响段维护量。根据李雅庄矿已开展的研究工作，六采区2#煤工作面开采后，冒落带高度为7.8～12.2m，裂隙带高度为32.8～40m。

在2-6121系统巷进行围岩地质力学测试：最大水平主应力为20.91MPa，最小水平主应力为11.44MPa，垂直应力为12.44MPa。根据地应力等级判断标准，该区域地应力场在量值上属于高等应力区。通过查看钻孔岩性柱状图可知，顶板40m范围内存在三层厚度为4.8m、3.2m、6m的关键坚硬砂岩，砂岩强度为60～70MPa。

二、水力压裂方案

1.水力压裂技术

水力压裂是向岩层钻孔中注入高压水，在顶板岩层形成大量微小裂隙并逐步扩展，以降低目标岩层的岩石结构力和强度，使坚硬顶板的来压步距明显缩短并及时垮落，达到使坚硬顶板工作面安全高效生产、增加资源采出率等目的。

2.水力压裂参数设计

为保证回采工作面正常生产需要，在2-6101巷超前150m外开始进行水力压裂施工。分别施工钻孔S和钻孔S′，其与巷道轴线方向分别呈90°和3°～5°角，钻孔深度40m，钻孔直径的选择需要满足封孔器最大保压，封孔器直径过大或过小都难以达到封孔器的高压保压。此次施工采用直径60mm的高强钻头，并且要求采用保证钻孔光滑度的高强度护翼钻头，钻孔的施工需根据现场实际尽可能贴近煤柱侧，保证钻孔的直线度。

切顶钻孔参数如下：

（1）压裂钻孔—S，长40m，间距16m，仰角50°；

（2）压裂钻孔—S′，长40m，间距8m，仰角50°。

水力压裂采用后退式，从孔底开始每隔3m压裂一次，每个钻孔设计压裂8次，当巷道顶板或顶板锚杆锚索有出水时即可停止本孔压裂。钻孔深度需要根据顶板岩性变化情况及时调整，保证顶板关键岩层可以充分压裂，压裂过程中可根据相邻钻孔实际出水情况和注水保压压力，在保证顶板压裂效果的基础上优化切顶钻孔施工参数和每个钻孔的压裂次数，以降低压裂工作量。

3.现场施工工艺

（1）水力压裂施工工艺。主要包括：施工压裂钻孔、钻孔岩性窥视、确定压裂位置、安装封孔器、试压、注水保压等。

（2）水力压裂相关装备。主要包括：切顶钻机、高压注水封孔器、高压注水杆、高压水连接管、水压记录仪、高压注水杆推杆装置。

（3）施工工艺和安全注意事项。作业前检查压裂作业范围巷道顶板安全、检查管路连接口确保完好可靠，送封孔器过程中，将尼龙管和高压推杆用扎带固定好，保证高压推杆固定牢固。高压水泵需空载启停，禁止带压启泵。空载启泵后，首先将高压水泵压力缓慢增加至20～25MPa，先对封孔器注水，待封孔器压力至20～25MPa后，关闭封孔器注水阀门，等待10s，再查看封孔器是否完好。随后缓慢打开注水管阀门，待压力稳定后，缓慢给高压水泵增压至20～25MPa。压裂过程中需时刻查看封孔压力、注水保压压力、高压水泵压力和水箱水量变化。孔内一个压裂点保压时间为30min，本孔或相邻孔出水较大时可提前结束一次压裂。一个循环压裂完成，注水和封孔器全部卸压后，需等待约3～5min，待本孔水全部流出后，人员方可进入压裂地点实施第二循环压裂。

三、顶板卸压监测结果分析

1.测站布置

为评价压裂效果，在2-6101巷压裂段往里每隔50m布置一组矿压监测站，压裂段每隔20m布置一组矿压监测站，停采线往外布置3组矿压监测站，监测内容包括巷道底鼓量、顶板下沉量和两帮移近量。

2.底鼓量分析

非压裂段巷道底鼓变形从回采巷道超前约150m开始显现，进入超前60m范围内底鼓量剧烈增加。

1～7#测站（压裂段）底鼓变化监测数据表明，压裂卸压段底鼓在回采超前150m开始显现，但从超前150m到60m，底鼓变形变化不大；最终压裂段底鼓量变化介于170～270mm之间，局部最大320mm。

3.顶板下沉量分析

在非压裂段工作面超前150m处开始出现顶板下沉，顶板下沉量在超前60m处开始剧烈变形。

1～7#测站顶板下沉变化监测数据表明，压裂卸压段在超前约150m处顶板下沉显现，但在超前150m至60m范围内下沉幅度变化不大，顶板最终沉降量远低于未卸压段，介于85～250mm之间。

4.两帮移近量分析

在非压裂段工作面超前150m即有两帮移近现象，从超前60m起明显增加，非压裂段测站监测数据显示两帮移近量最大为1.7m。水力切顶卸压后，在超前150m起两帮开始有少量移近现象，但在超前150m到超前60m范围内变化不大，两帮移近变形在超前回采面60m才开始有明显增加。最终移近量较非压裂卸压段有大幅降低，在265～370mm之间。

四、结论

通过巷道变形量监测对比分析，可得出以下结论。

（1）水力压裂卸压效果显著，降低了回采超前支承压力，大幅减小了巷道变形量和超前维修量。

（2）保证了2-6101巷回采超前安全出口达到安全标准化的要求，防范了安全风险，降低了回采超前维护段职工操作的难度和强度，创造了安全环境，确保了安全效益最大化；降低了回采超前维护段的材料费用和人工成本投入，实现了经济效益最大化。

（3）水力压裂切顶在李雅庄煤矿2-6101巷的成功应用，为控制煤矿深部临空巷道超前动压提供了解决方案，同时通过水力压裂弱化坚硬岩石切顶卸压技术的成功试验，可为瓦斯抽采、回采工作面隅角控制、冲击地压防治、小煤柱巷道变形治理等提供新的解决方案，保障矿井安全高效开采。