王胜涛

（晋能控股煤业集团晋城煤炭事业部晟泰公司， 山西 晋城 048000）

引言

某矿大采高工作面留巷巷道在强烈动压影响下出现顶板沉降明显、两帮收缩量和底鼓量显著增加、锚杆索发生破断等问题，巷道需要反复巷修才能维持正常使用，同时顺槽巷道悬顶现象明显，影响工作面安全回采。为了解决巷道变形以及工作面上隅角悬顶问题，采用在煤柱侧顺槽巷道进行水力压裂的方式提前切顶，切落煤柱上方悬臂梁，剪断顶板岩梁应力的传递，减小巷道所受应力，消除悬顶现象[1-2]，有效解决了动压影响留巷巷道大变形和悬顶问题。

1 4312 工作面概况

某矿4312 大采高工作面，煤层厚度5.52 m，平均倾角4°；走向长1 714.9 m、倾斜长220.7 m，面积378 470.7 m2。地面位置位于申头村东北部，釜山水库南部，贾村西部。工作面东部为1315 工作面采空区，西部为4304 工作面采空区，北部无工作面，南部为4314工作面采空区，工作面巷道布置如图1 所示。43121巷为一次使用顺槽巷道，巷道悬顶上隅角瓦斯聚集，影响工作面安全回采；43122 巷为留巷巷道，受工作面回采动压影响，巷道变形较大，影响正常使用；43121巷、43122 巷断面为矩形，宽×高=5.2 m×3.9 m。

图1 4312 工作面巷道布置图

2 工作面水力压裂设计方案

2.1 水力压裂设备

采用切槽钻头在岩层中预制横向切槽，切槽钻头外径为54 mm，钻孔直径为56 mm。根据井下现场试验条件，采用跨式膨胀型封隔器（见图2）进行水力压裂封孔，封隔器由弹性膜、钢套、钢管以及膨胀介质通道组成，封隔器的封孔膨胀介质为水、弹性膜为橡胶材料。使用3ZSB80/62-90 型高压水泵（见图3）进行注水增压压裂[3]。

图2 跨式膨胀型封隔器封孔示意图

图3 3ZSB80/62-90 型高压水泵

2.2 压裂参数计算

水力压裂高度与老顶回转变形的岩梁层位有关，依据式（1）计算老顶岩层厚度[4]。

式中：Hi为由下而上第i 层老顶岩层的厚度，m；Hi'为由下而上第i 层老顶分层的厚度，m；M 为煤层采高，m；Ki为岩石碎胀系数，取1.15~1.33；Kz为岩石碎胀系数，取1.33~1.5；h 为直接顶厚度，m。

将4312 工作面地质力学参数代入式（1），计算出第2 层老顶岩梁，即6.10 m 砂质泥岩为岩层裂隙带岩层，因此压裂钻孔垂直深度应在6.10 m 以上，并尽可能加深钻孔深度以确保效果。

2.3 压裂方案设计

根据4312 工作面地质构造情况及现场实际情况，选择43121 巷17 号~20 号横川320 m 为试验区域，煤柱侧巷帮距离皮带2.4~3 m。为避免工作面施工干扰，水力压裂钻孔施工与压裂作业应在瓦斯抽采钻孔施工前进行，先进行水力压裂作业，后施工瓦斯抽采钻孔。

在43121 巷行人侧布置两排水力压裂钻孔，钻孔布置如图4—6 所示，采用深浅孔交错布置，深浅孔间距5 m。第一排钻孔为浅孔，布置在煤柱顶部与顶板的连接处，钻孔参数为直径56 mm，长度16 m，间距10 m，仰角70°，垂直煤帮施工；第二排钻孔为深孔，开孔位置距离煤柱1~2 m，钻孔参数为直径56 mm，长度60 m，间距10 m，仰角70°，钻孔与巷道轴线方向夹角5°。

图4 4312 工作面水力压裂钻孔布置平面图（俯视图）

图5 4312 工作面水力压裂工作面侧钻孔布置图（A-A 剖面图）

3 现场试验效果分析

3.1 43122 巷巷道表面位移监测分析

为分析水力压裂对巷道围岩变形的控制效果，在未进行压裂段巷道和水力压裂段巷道分别布置表面位移测站，观测结果显示：未采用水力压裂技术时，巷道在工作面回采后以两帮收缩为主，两帮平均移近量为554.5 mm，顶底板平均移近量为463.5 mm。采用水力压裂技术后，巷道在工作面回采后两帮平均移近量减小为328.33 mm，顶底板平均移近量减小为140 mm。由此可见，采用水力压裂技术后，43122 巷道围岩变形得到很好的控制，试验效果明显。

图6 43121 巷钻孔布置断面示意图

3.2 4312 工作面机头周期来压分析

分析水力压裂施工后工作面机头侧周期来压的变化情况，并以此了解工作面悬顶面积的变化，机头侧支架压力监测系统所得数据见表1。

表1 机头支架压裂前后阻力数据比较

通过对比分析机头支架未压裂段与压裂段来压数据可知，未压裂段周期来压步距为20.2 m，压裂段周期来压步距为18.88 m，水力压裂后机头侧周期来压步距减小1.3 m 左右。

水力压裂切顶后，工作面机头侧整体工作阻力降低，说明压裂切顶减小了工作面上隅角顶板悬顶面积，较好地解决了采空区上隅角悬顶问题，避免了上隅角瓦斯集聚给工作面回采带来的安全隐患，为动压条件下复杂困难巷道围岩控制技术提供了新的科学依据。