潞宁煤业22116工作面水力压裂切顶卸压技术

米 东

(潞安集团 潞宁煤业公司，山西 忻州 036000)

1 工程概况

潞宁煤业现阶段主采侏罗系大同组上部的2号煤，2号煤层结构简单，厚度为1.0～5.0 m，平均厚度3.5 m，平均倾角4.5°，容重为1.48 t/m3，中部夹不连续的薄层炭质泥岩夹矸，煤质编号为气煤。22116工作面平均走向长度为1 877.233 m，倾向长178.6m，预计可采储量约173.672万t。22116工作面地面标高+1 466～+1 610 m，井下标高+1 037～+1 057 m，位于二二采区，北部为22114工作面采空区，留设煤柱25 m，南部为22118回采工作面，留设煤柱25 m，西部为2号煤层南翼四条大巷。22116回风巷和22118运输巷采用双巷掘进，区段煤柱宽度为25 m，工作面巷道布置如图1所示。2号煤层直接顶为厚度10 m左右的细粒砂岩和粉砂岩，老顶为中粒砂岩和细粒砂岩，均属于坚硬岩层，顶底板岩层特征见表1。22116工作面回采初期，22118运输巷围岩出现明显的失稳变形现象，需采取适当的措施进行治理。

图1 工作面巷道布置示意

表1 顶底板岩性特征

2 22118运输巷失稳机理及切顶卸压原理

正常地质条件下，采用长壁式开采方法，采动影响范围大[1]，工作面推进后，多层复合薄岩层组成的顶板及时垮落，垮落的矸石充填采空区，采空区分担上覆岩层的压力，降低采空区两侧的煤柱承受的压力，为临近工作面服务的留巷受采动影响不严重。潞宁煤业2号煤层直接顶和老顶均为坚硬的砂岩，工作面推进后，采空区上覆岩层不能够及时垮落，甚至在区段煤柱上方形成稳定的悬臂结构，导致煤柱承受的载荷大大增加，最终导致临近工作面的巷道断面收缩严重，甚至影响其正常使用。

根据以往在类似地质条件下的生产经验，经常遇到坚硬顶板在工作面回采后悬而不垮的现象，可采取定向水力压裂技术切割坚硬顶板，以此将上覆岩层的载荷向采空区转移，降低区段煤柱内的应力集中程度，从而确保留巷围岩的稳定性，切顶卸压的理想模型如图2所示。一个正在回采的工作面，一侧为采空区，另一侧为未回采的工作面，两个工作面间留设一定宽度的区段煤柱，煤柱上方的坚硬岩层形成悬臂式结构，如图2(a)所示。采用水力压裂技术进行顶板压裂后，煤柱上方的坚硬岩体垮落，煤柱得到卸压，此时留巷围岩的稳定性将得到很大的提高，如图2(b)所示。

图2 切顶卸压模型

3 水力压裂切顶卸压方案

根据22116工作面回采的实际情况，在22116轨道巷未回采的巷段进行水力压裂卸压试验，试验段长度约300 m，在22116轨道巷顶板布置水力压裂钻孔，钻孔间距为10 m，钻孔与工作面推进方向的夹角为75°，与水平方向的夹角为50°，钻孔直径为75 mm，长度为30 m，从钻孔底部由里向外依次进行开槽，槽间距为3 m，1号切槽距离孔底约2 m，水力压裂钻孔布置如图3所示。

图3 22116轨道巷水力压裂钻孔布置

钻孔施工完成后首先进行封孔器和水压仪的安装，封孔器安装完成后采用静压水对其进行排气和试压，封孔器压力为10 MPa，之后连接注水钢管将封孔器推送至预裂缝处进行压裂，高压注水泵的水压为60 MPa，泵流量为80 L/min，注水压裂的顺序为倒退式压裂法[2]，由孔底到孔口逐次进行，压裂施工时前后20 m的巷道范围内拉警示线，禁止无关人员靠近。

4 现场应用效果分析

为考察水力压裂切顶卸压技术的效果，在22118运输巷内设置多个围岩位移监测站，对切顶卸压前后围岩的位移情况进行对比，巷道围岩的位移主要集中在22116工作面推过测点对应位置，由此整理得到不同测点处围岩位移与采煤工作面距离的关系，监测结果如图4所示。

图4 22118运输巷围岩位移观测结果

未采取切顶卸压措施前，两帮移近量最大约为241 mm，切顶后两帮移近量最大为119 mm，减小了50.6%，减小明显；未采取切顶卸压措施前，顶底板移近量最大约为388 mm，切顶后顶底板移近量最大为187 mm，减小了51.8%，减小明显。综上可知，在22116轨道巷采取水力压裂切顶卸压措施后，22118运输巷在22116工作面采动影响下围岩的位移量显著减小，能够满足为22118工作面服务的要求。

5 结 语

潞宁煤业22116工作面回采期间，临近工作面的22118运输巷围岩出现位移过大的现象，设计采用水力压裂切顶卸压技术进行治理，通过现场试验和围岩位移监测表明，切顶后22118运输巷两帮移近量减小50.6%，顶底板移近量减小51.8%，围岩的位移显著减小，取得了良好的应用效果。