干河煤矿回采巷道围岩超前水力压裂技术实践

郭亚建

（山西霍宝干河煤矿有限公司，山西 洪洞 031400）

1 工程概况

霍州煤电集团有限责任公司干河煤矿2-209工作面位于+80 水平二采区右翼，工作面布置方式及位置如图1 所示。 工作面开采1#和2#煤层合并层，煤层均厚为3.9 m，平均倾角为5°，煤层直接顶岩层为粉砂岩，均厚1.45 m，基本顶岩层为砂质泥岩，均厚4.20 m，底板岩层为砂质泥岩和砂岩。

图1 2-209 工作面平面位置

该工作面面长183 m，可采走向长度914 m，工作面采用综采一次采全高采煤法。 由于煤层埋藏较深且煤层内构造发育，工作面回采期间，两回采巷道临近采空区段，在高地应力和采动影响下围岩变形严重，尤其表现为底鼓严重，两帮大量回缩，两巷的超前管理维护工程量大，严重制约工作面的安全回采。 为破解围岩变形量大的难题，拟采用超前水力压裂技术对巷道顶板实施压裂卸压。

2 水力压裂技术

水力压裂技术主要通过在煤岩体打设钻孔后，向钻孔注入高压水实现制造煤岩体裂缝的目的，同时运用压裂设备及控制水压能够实现对水力压裂裂缝扩展方向的控制。 在回采巷道采用水力压裂技术时，水力压裂能够破坏顶板岩层的完整性，降低煤岩体的高应力状态，通过卸压使得顶板处于低应力状态，进而保障采动影响下采空区顶板能够充分垮落，防止出现大面积悬顶和悬顶距离过长导致的回采顺槽超前段围岩变形量大，围岩变形难以控制的现象[1-3]。

水力压裂技术在工作面应用时，常用的压裂钻孔布置方式有两种，分别为单侧布置和双侧布置。 单侧布置钻孔时，要求钻孔深度较大，但钻孔工程量较小；双侧布置钻孔时，钻孔工程量较大，但其弱化顶板岩层较为均匀[4-5]。 具体水力压裂钻孔布置的两种方式如图2 所示。 工程应用时，应根据顶板岩层的具体性质及水力压裂的目的选择布置方式及参数。

图2 顶板水力压裂钻孔布置

水力压裂施工工艺可主要划分为3 个步骤，分别为封孔、高压水压裂和保压注水。 在压裂钻孔打设完毕并封孔合格后，即可开始进行高压水压裂作业，当压裂方案实施后，钻孔壁面上会产生预裂缝，裂缝产生后水压会在一定程度上下降，此时即进入保压阶段，即保持一定的水压值使得裂缝逐渐扩散，并产生新的裂缝；工艺布置参数如图3所示。 水力压裂方案实施时所需的设备主要包括：高压水泵、注水管、压力表、封孔器和蓄存压裂介质水和油的储能器等[6]。 主要设备如下：

图3 顶板水力压裂

封孔器： 由中心管和封隔器胶筒组成水路通道。 封孔器中心管中形成的空间能够存储高压水，而封孔器壁面与孔壁壁面通过压力紧密贴合实现钻孔的封孔。

注水管： 其在水力压裂工艺中主要起到两方面的作用，即将封隔系统送至钻孔预定位置和为压裂实施提供加压通道。

高压水泵：其作用是给压裂段加压。 实践中，根据2-209 工作面顶板岩层特征，结合地应力分布情况[7]，通过计算选择高压水泵，其主要参数为电压660/1140V、额定压力62 MPa、流量为80 L/min。

流量水压监测仪： 该仪器能够对水力压裂过程进行实时监测记录，并能根据监测数据进行分析，通过处理计算得出地应力数值。 实践中，采用流量水压监测仪型号为KJ327-F 水压致裂数据采集仪。

3 施工工艺

2-209 工作面水力压裂技术在2-2092 巷道内实施，水力压裂方案各项参数如下：

1）试验段位置：超前工作面150 m。

2）钻孔布置：水力压裂钻孔采用2 种布置方式，分别命名为S 和S′；两种钻孔的直径均为56 mm。 ①S型钻孔长度为40.5 m，钻孔在煤壁帮1.5～2.5 m 的位置处布置，压裂钻孔的间距为10 m，钻孔仰角为50°；②S′型钻孔长度同样为40.5 m，钻孔在煤柱帮1.0～2.5 m 的位置处布置，压裂钻孔的间距为10 m，钻孔仰角同样为50°，钻孔在水平方向上与巷道走向成5°～10°。

2-2092 巷压裂钻孔布置图如图4 所示。

图4 2-2092 巷压裂钻孔布置

水力压裂钻孔采用单侧布置，压裂方式为后退式单孔多次压裂，压裂钻孔内每间隔3 m 进行一次压裂，每个压裂位置处的压裂次数为10～13次，压裂从孔底开始进行，一处压裂完成后，后退至下一个压裂地点进行压裂作业，如此循环直至压裂至距孔口13 m 的位置处即可停止压裂作业，单孔压裂完成。

实施时，首先接好封孔器，在封孔完毕后接通注水管，然后对封孔器进行加压作业，封孔完毕后即可开启高压泵进行压裂作业。 压裂进行30 min或者邻近钻孔出水后即可关闭高压泵，压裂完成后进行封孔器的卸压作业，随后后退钻杆至下一个压裂地点进行下一段的压裂作业，如此循环直至压裂至距孔口13 m 的位置处。

4 效果分析

为验证水力压裂实施效果，在压裂位置处布置巷道表面位移监测站，每间隔20 m 布置一个测站，共计在压裂段布置10 组巷道表面位移测站；在非压裂段布置3 组表面位移监测站进行对比分析，根据监测结果，对巷道顶板下沉量和两帮移近量做如下分析：

1）顶板下沉量。 根据监测数据，得出巷道压裂段和非压裂段顶板下沉曲线如图5 所示。

图5 非压裂段和压裂段顶板下沉变形曲线

由图5 可知，巷道非压裂段处围岩在超前工作面150 m 的位置处开始出现一定的顶板下沉的趋势，当测站与工作面间的距离为100 m 时，此时顶板下沉速率大幅提升，顶板下沉明显；从图中3个测站的顶板下沉曲线可知，监测期间顶板最大下沉量为0.43 m，下沉量大。 巷道水力压裂段巷道测站同样在超前工作面150 m 的位置处开始出现顶板下沉现象，但随着工作面回采作业的进行，测站与工作面间距离在150～50 m 范围内时，顶板下沉速率未出现大幅提升的现象，顶板下沉速率仍处于较低的水平，3 个测站的顶板最终下沉量均在0.085～0.25 m 范围内。

2）两帮移近量。 根据监测数据，得出巷道非压裂段和压裂段两帮移近量曲线如图6 所示。

图6 非压裂段和压裂段两帮移近变形曲线

由图6 可知，巷道非压裂段围岩在超前工作面200 m 的位置处开始出现两帮移近的趋势，当测站与工作面间的距离为100 m 时，此时两帮移近速率大幅提升，监测期间两帮最大移近量为1.16 m，两帮移近量大，影响巷道的正常使用。 水力压裂段巷道测站在超前工作面150 m 的位置处开始出现两帮移近现象，随着测站与工作面间距离的减小，两帮移近速率未大幅增大，3 个测站的两帮移近量均在0.465～0.87 m 范围内，变形满足回采使用要求。

综上所述，巷道采用水力切顶卸压后，回采巷道超前段在采动影响下变形量大幅降低，工作面超前段回采巷道基本稳定。

5 结语

以干河煤矿2-209 工作面为工程实例，因回采期间顺槽超前段围岩变形量大，拟采用水力压裂技术进行切顶卸压；重点分析探讨了水力压裂技术及工艺流程；结合巷道顶底板岩层参数，拟定设计水力压裂方案；工程实践表明，巷道变形量大幅降低，围岩变形量大的难题得到有效解决。