工作面回采顺槽超前水力压裂切顶技术研究

工作面回采顺槽超前水力压裂切顶技术研究

摘要：针对回采巷道超前段围岩压力大，回采帮严重垮帮，顶板出现离层等问题，以小保当一号煤矿112202工作面回风顺槽为工程背景，通过理论分析、现场工业性试验以及数据监测等手段，通过分析水力压裂切顶机理，提出了工作面回风顺槽超前水力压裂切顶方案，减轻回采时超前支承压力对顺槽的影响。试验监测数据表明：实施水力压裂切顶卸压后，有效地减缓了顶板下沉速度，降低了41%，巷道两帮围岩变形量也有所降低。研究成果在现场工程实践的成功实施，对于水力压裂切顶卸压技术在该矿区其他工作面开采的推广应用提供了借鉴。

关键词：水力压裂；切顶机理；回采巷道；围岩变形

1 引言

煤矿开采过程中，存在大量的上覆岩层坚硬且不易垮落造成工作面矿压显现强烈、围岩变形严重、巷道支护难度大等现象，对煤矿安全生产提出很大的挑战。而通常为了工作面的接续和便于通风，煤矿大都选择双巷布置[1-2]，这种服务于两个工作面的巷道已经经历了多次动压影响，它的稳定性控制更为困难。因此，工作面向前推采，巷道超前段围岩压力大，超前支护压力大，切顶卸压是缓解强烈矿压显现的有效方法[3]。

徐成等[4]利用ABAQUS软件建立纵向切槽水力压裂二维模型，对纵向切槽水力压裂裂缝偏转规律以及预测扩展路径进行了详细的研究。张亮[5]针对动压巷道变形严重的问题，提出了综放工作面定向预裂切顶卸压技术，降低了区段煤柱的应力集中，从而控制回采巷道的大变形。程蓬[6]提出了基于单孔分段多次压裂为核心的特厚煤层坚硬顶板、强烈动压条件下巷道水力压裂切顶控顶成套技术，试验表明能够对坚硬难垮顶板实现分层分段预裂与软

化。孙志勇[7]等研究了水力压裂切顶卸压技术在大采高留巷中的作用本质，通过工业性试验给出了未压裂以及压裂后煤柱垂直应力的超前、滞后工作面范围。

小保当一号煤矿112202综采工作面不断向前推采，造成巷道超前段围岩压力大，回采帮严重垮帮，顶板出现离层现象，超前支架被回采帮下部变形部位挤压，这些工程问题的发生，不仅严重威胁井下作业人员及设备安全，而且直接影响矿井的安全高效生产[8-9]。为了解决上述难题，本文拟结合工程实际条件，研究水力压裂切顶卸压机理，提出针对性的水力压裂切顶卸压方案，对于增强卸压效果和维护巷道围岩稳定性具有实际意义。

2 工程概况

小保当一号煤矿112202工作面回风顺槽是原112201工作面辅运顺槽，它为两个工作面服务，属于留空巷道。在两次采动应力叠加条件下，巷道全断面来压，矿压显现剧烈，顶帮变形控制困难。为解决这一工程难题，采用了水力压裂切顶卸压技术。

3 水力压裂切顶机理

水力压裂切顶卸压是指通过钻孔切槽，在采空区侧上覆岩层预制切缝，然后注高压水，产生裂隙并控制裂纹在岩层中的扩展方向，在顶板形成一个“准破裂面”，同时破坏上覆岩层岩石的强度和完整性。工作面回采时，采场发生周期来压，采空区顶板发生垮落，上覆岩层沿着预制的“准破裂面”断裂，即上覆岩层沿着切缝方向切断垮落岩层与回采巷道上方顶板的连接关系，减小回采巷道上覆岩层在采空区形成的悬顶距，从而减轻回采时超前支承压力对回采巷道的影响，降低回采巷道维护难度。

图1 水力压裂切顶卸压机理

4 水力压裂切顶技术方案

根据水力压裂切顶卸压机理，压裂地点选择在112202工作面回风顺槽，试验长度500m，为保证压裂效果，并防止钻孔变形，开始压裂施工位置距离工作面200m。根据顶板岩层结构并结合现有施工条件，确定水力压裂钻孔布置如下：在超前工作面靠近工作面侧布置2排钻孔，分为A、B孔，其中A钻孔34个(编号为A1、A2、A3……A34)，B钻孔34个(编号为B1、B2、B3……B34)，巷道500m范围内共打设68个钻孔。钻孔深度均为55m，倾角60°，每排钻孔间距15m。

钻孔打完后，从孔底开始后退式封隔压裂，每个钻孔内要进行15次左右压裂。根据顶板与周围钻孔出水情况，确定每次压裂时间不得低于30分钟，完成压裂的钻孔可作为下个压裂钻孔的观测孔，压裂过程中密切关注顶板变化，若有异常，立即停止作业。

水力压裂切顶卸压使得在工作面回采后顶板沿裂缝面垮落并支撑上覆岩层，从而降低围岩应力，减少回风顺槽的变形破坏。图2 为水力压裂钻孔布置图。

（a）平面图

（b）剖面图

图2 水力压裂钻孔布置图

5 试验效果及分析

为具体掌握在采动影响过程中的巷道围岩变形特征，分别在112202回风顺槽布置水力压裂段和未压裂段表面位移测站，共布置6个测点，分别为39号-44号测点，各测点间距为50m。39-41号为未压裂段表面位移测点，42-44号为压裂段表面位移测点。39号测点距工作面50m，压裂施工位置即42号测点距离工作面200m。围岩变形采用常用的十字布点法对巷道两帮及顶底板进行监测。

图3为压裂、未压裂段巷道两帮、顶底位移变化曲线，其中实线为未压裂段测点，虚线为压裂段测点，两段均为距工作面50m位置开始连续监测12天的位移变化情况。

由图3（a）可以看出，压裂段42-44测点与未压裂段39-41测点相比，顶板下沉量均有所减小，其中43号测点尤为明显，降低了41%。说明控顶措施出现明显效果，有效地减缓了顶板下沉速度。由图3（b）可以看出，采用水力压裂切顶卸压技术后，底鼓量稍稍有所降低，仅仅降低了11%。由图3（c）可以看出，未采用切顶卸压技术前，巷道左帮移近量39号测点超过140mm，压裂段42-44测点与未压裂段39-41测点相比，左帮位移量均明显减小，其中43号测点降低了37%。由图3（d）可以看出，采用水力压裂切顶卸压技术后，右帮位移量稍稍有所降低，右帮为留设的保护煤柱侧，相应测点位移变化相对于左帮变形整体较小。

（a）顶板下沉曲线 （b）底鼓变化曲线

（c）左帮位移变化曲线 （d）右帮位移变化曲线

图3 压裂、未压裂段巷道两帮、顶底位移变化曲线

综合监测结果显示，巷道超前卸压效果显著，通过卸压孔注高压水，在工作面上覆坚硬顶板岩层预裂产生裂隙，减轻回采时超前支承压力的影响，围岩变形量有所降低。但巷道变形较大的位置仍然聚集在左帮，需在工作面回采过程中对巷道两帮采取补强支护措施。

6 结论

（1）采用水力压裂试验段，巷道顶板下沉量、底鼓量、两帮移近量较未压裂段均有所降低，说明切顶效果有利于减少巷道变形，加快围岩稳定，确保工作面的正常回采。

（2）巷道变形明显好转，右帮为留设的保护煤柱侧，相应测点位移变化相对于左帮变

形整体较小，但巷道变形较大的位置仍然聚集在左帮，需在工作面回采过程中对巷道两帮采取补强支护措施。

（3）水力压裂技术在小保当一号煤矿112202工作面回风顺槽的成功应用，解决了工作面回采时超前支承压力对巷道的影响，降低了巷道维护成本，同时为该矿区的水力压裂切顶卸压技术推广提供了借鉴作用。

参考文献(References)

[1]范凯.龙滩矿沿空留巷顶板突变式变形规律与复合支护切顶技术[J].采矿与岩层控制工程学报,2020(03):1-8.

[2]徐晓鼎. 岩层爆破切顶采动应力阻断机理及演化规律研究[D].中国矿业大学,2019.

[3]高玉兵,王炯,高海南,杨军,张勇,何满潮.断层构造影响下切顶卸压自动成巷矿压规律及围岩控制[J].岩石力学与工程学报,2019,38(11):2182-2193.

[4]徐成,仇海生,吕晓波,等.纵向切槽水力压裂裂缝偏转规律数值研究[J].煤炭科学技术,2020(4):1-12.

[5]张亮.综放工作面超前定向预裂切顶卸压技术研究[J].煤,2019,28(09):9-11.

[6]程蓬.特厚煤层动压巷道水力致裂卸压护巷技术研究[J].煤炭科学技术,2019,47(11):50-55.

作者简介：陈真（1988-），陕西榆林人，本科，工程师，主要从事煤矿生产技术管理

工作。