王坡煤业坚硬顶板长水平孔水力压裂卸压技术应用

张 伟

（山西天地王坡煤业有限公司，山西 晋城 048021）

动压巷道面临矿压显现剧烈、变形量大等问题，研究表明动压巷道大变形的原因往往是覆岩采动形成的支承压力作用。为此，提出了卸压技术用于治理动压巷道大变形问题。目前常采用的卸压技术包括：切缝卸压、钻孔卸压、松动爆破、水力压裂等[1-5]。本文以王坡煤业3203 运输巷为试验巷道，提出采用坚硬顶板长水平孔水力压裂卸压技术进行超前卸压，以缓解巷道受工作面采动应力的影响。

1 工程概况

3203 工作面位于二采区北翼，工作面平均埋深500 m。工作面开采3#煤层，煤层平均5.76 m，平均倾角6°，煤层普氏系数约2.0。煤层以亮煤为主，坚硬，裂隙较发育。工作面直接顶为泥岩，厚度约为1.5 m，松软；基本顶为细砂岩，厚度约12.0 m，坚硬。工作面两侧分别为3201 和3205 工作面采空区，根据矿井开采经验，3203 工作面开采时，其回采巷道超前应力显现强烈，易造成巷道严重底鼓（3201 运输巷最大底鼓达2.0 m），影响工作面安全和正常开采速度。为实现工作面的安全高效开采，设计在3203 工作面回采之前，对上部坚硬顶板进行井下长水平孔压裂，切断坚硬顶板的侧向悬顶，缓解巷道受工作面采动应力的影响。

2 坚硬顶板长水平孔水力压裂卸压技术

2.1 长水平孔水力压裂卸压基本原理

长水平孔水力压裂卸压技术是通过施工长水平定向钻孔，对拟压裂段进行封孔，并注入高压水，利用高压水在钻孔产生的集中拉应力使裂隙在顶板岩层中扩展，从而将完整而较坚硬的顶板岩层分割成多层，并达到连通裂隙和有序垮落的目的（构筑条带弱化范围）。在坚硬顶板构筑条带弱化范围不仅可以改善本工作面端头和采空区上方顶板的空间结构形态，而且可以调整相邻工作面采空区内处于暂时稳定的覆岩空间结构形态，降低两侧采空区顶板岩层向工作面端头巷道传递应力的等级，起到调控巷道应力等级的目的[6]。

2.2 长水平孔水力压裂卸压技术

2.2.1 钻孔层位确定选择

分析3203 工作面运输巷生产地质条件，造成运输巷道应力显现异常需处理的层位情况如下：

（1）工作面侧向采空区顶板悬顶。3205 工作面开采时间较久，下部的细砂岩基本顶应较为破碎，处理层位选择在区段煤柱上方30 m 处的砂岩交互层。

（2）工作面采空区侧顶板悬顶。工作面端头和中部顶板悬顶压力也会传递至两巷，在距离煤层20 m 处的顶板处布置钻孔以切断工作面悬顶应力传递，同时，促进基本顶的顺利垮落，该钻孔内错运输巷道20 m。

（3）工作面上部高位结构悬顶。由于是孤岛工作面，开采后上部高位顶板存在大范围垮落可能，为此在工作面顶板40 m 处布置高位压裂钻孔，降低该岩层在巷道附近悬顶整体面积，同时促进顶板及时垮落充填采空区，减小顶板结构的整体偏转活动空间，从而降低上位顶板的应力传递规模。

2.2.2 钻孔布置

3203 工作面运输巷施工6 个钻孔，钻孔均为巷道切顶区域压裂孔，钻孔布置的层位平剖面图如图1～图3 所示，具体布置如下：

图1 钻孔布置层位平面示意图

图2 工作面切眼方向钻孔布置层位剖面图（m）

图3 工作面停采线方向钻孔布置层位平面图（m）

（1）钻进朝向工作面切眼方向，共布置3 个钻孔：1 号钻孔、2 号钻孔和3 号钻孔。

① 1 号钻孔位于3203 工作面和3205 工作面区段煤柱上方，距离运输巷巷帮10 m，高度位于煤层顶板上方30 m 砂岩交互层位内。

② 2 号钻孔位于3203 工作面实体煤上方，距离运输巷巷帮20 m，高度位于煤层顶板上方20 m砂岩交互层位内。

③ 3 号钻孔位于3203 工作面实体煤上方，距离运输巷巷帮10 m，高度位于煤层顶板上方40 m粉砂岩层位内。

（2）钻进朝向工作面停采线方向，共布置3个钻孔：4 号钻孔、5 号钻孔和6 号钻孔。

① 4 号钻孔位于3203 工作面和3205 工作面区段煤柱上方，距离运输巷巷帮10 m，高度位于煤层顶板上方30 m 砂岩交互层位内。

② 5 号钻孔位于3203 工作面实体煤上方，距离运输巷巷帮20 m，高度位于煤层顶板上方20 m砂岩交互层位内。

③ 6 号钻孔位于3203 工作面实体煤上方，距离运输巷巷帮10 m，高度位于煤层顶板上方40 m粉砂岩层位内。

2.2.3 定向钻孔参数设计

（1）设计双向钻孔6 个；（2）钻孔孔径120 mm；（3）封孔长度≥15 m；（4）封孔方式为水泥注浆/一堵一注。具体钻孔参数见表1。

表1 定向钻孔参数 m

3 巷道矿压监测

在3203 工作面回采之前采用坚硬顶板长水平孔水力压裂卸压技术对3203 运输巷坚硬顶板进行超前卸压，在3203 工作面回采期间，监测了3203运输巷围岩变形情况，监测结果如图4。3203 运输巷超前工作面150 m 处，开始出现了变形，但变形量相对较小；超前工作面50～150 m 范围内，巷道变形速度较小；超前巷道50 m 范围内，巷道变形显著增加。3203 工作面回采期间，3203 运输巷顶板下沉量在0.26～0.43 m 范围，两帮移近量在1.1～1.2 m 范围，底鼓量在0.52～0.73 m 范围，同比邻近巷道变形量降低了50%以上，表明坚硬顶板长水平孔水力压裂卸压技术有效缓解了3203 运输巷变形，实现了巷道的稳定控制。

图4 3203 运输巷巷道变形曲线

4 结论

为缓解3203 运输巷受采动影响出现的大变形现象，提出采用坚硬顶板长水平孔水力压裂卸压技术对3203 运输巷坚硬顶板进行超前卸压。基于此，介绍了长水平孔水力压裂卸压技术基本原理，设计了卸压技术参数。技术应用后，3203 运输巷变形同比邻近巷道降低了50%以上，表明坚硬顶板长水平孔水力压裂卸压技术的合理性和可靠性，实现了3203 运输巷坚硬顶板的超前卸压及其稳定控制。