0 引言
杜儿坪煤矿8号煤瓦斯含量高，为了保证回采安全，分别布置了高抽巷和底抽巷用于瓦斯抽采，一般情况下一条底抽巷服务于上部2个工作面的瓦斯抽采。然而，由于8号煤直接顶和基本顶均为坚硬而完整的石灰岩，工作面回采后在上隅角容易形成较大面积悬顶，短期内不易自然垮落，从而引起工作面侧向支承压力显著增高，致使相邻工作面保护煤柱内应力集中程度高。在工作面回采过程中，布置在煤柱下方的底抽巷受超前及侧向支承压力的影响，往往发生较大变形，严重影响了巷道通风和瓦斯抽采。因而，对于受强烈动压影响的底抽巷，矿压显现剧烈，不能满足一巷两用需求，相邻工作面回采时需要对底抽巷进行二次整巷维修，不仅增加了巷道维护成本，而且带来较多安全隐患，严重制约采煤工作面的安全高效生产。强烈动压巷道压力的主要来源是采空区内靠近煤柱侧顶板未完全垮落而形成悬顶，对煤柱产生侧向压应力，从而影响巷道稳定，释放动压巷道的压力来源是解决巷道支护困难的有效途径[1-2]。近年来，煤岩体水力压裂弱化控制技术发展迅速，已经在坚硬顶板控制、强烈动压巷道卸压、坚硬顶煤弱化等领域推广应用，大幅提升了矿井生产的安全性[3-4]。本文以西山煤电集团杜儿坪煤矿68306工作面为试验地点，重点介绍了水力压裂切顶卸压护巷技术在该工作面的应用研究。
1 工作面概况
西山煤电集团杜儿坪煤矿北三盘区8号煤68306工作面可采走向长度为1 199 m，开切眼长度为209.5 m，采高为4.8 m，埋深为367～540 m，煤层倾角为0～7°。该工作面绝对瓦斯涌出量为38 m3/min，采用单一走向长壁后退式综合机械化采煤法，全部垮落法管理顶板。工作面直接顶和基本顶均为坚硬而完整的石灰岩，顶底板岩性特征见表1。
表1 8号煤顶底板岩性特征
Table 1 Characteristics of roof and floor lithology of No.8 coal seam
68306工作面由机轨巷、回风巷、开切眼及高、底抽巷组成，其中底抽巷外错68306回风巷10 m布置，与回风巷垂直间距为1.5～2 m。试验巷道为68306回风巷，目标保护巷道为68306底抽巷。工作面布置及水力压裂位置如图1所示。
2 水力压裂切顶卸压技术原理
目前,切顶卸压预裂主要有爆破预裂法和水力压裂法等[5-8]。爆破预裂法一般用于低瓦斯矿井顶板相对松软煤层。杜儿坪煤矿8号煤的直接顶和基本顶均为致密坚硬的石灰岩顶板，煤层瓦斯含量高，采用爆破预裂法存在工程量大、炸药用量多、安全性差及形成大量有毒气体等问题[9-11]。近年来，水力压裂切顶卸压技术以其安全系数高、卸压效果好、施工方便简单等优势逐渐得到广泛应用。所以，本文针对杜儿坪煤矿8号煤68306工作面开展水力压裂切顶卸压护巷技术研究。
(a)平面图
(b)剖视图
图1 68306工作面布置及水力压裂切顶卸压位置
Fig.1 68306 working face layout and hydraulic fracturing roof cutting and pressure relief position
水力压裂切顶卸压护巷技术是指在巷道靠近煤柱侧顶板上方按照一定角度打设钻孔，钻孔穿过巷道基本顶，深度取决于顶板岩性和厚度，然后采用高压水进行逐次分段压裂，切断巷道和区段煤柱基本顶的连接，从而阻止应力向煤柱侧的传递，进而减缓相邻巷道以及煤柱下近距离巷道的动压影响程度，达到减少巷道变形的卸压护巷效果[12-13]，其工作原理如图2所示。
1-静压水进水管路；2-高压水泵；3-水泵压力表； 4-流量计；5-手动泵；6,11-快速连接的高压供水胶管；7-手动泵压力表；8-水压仪；9-接头；10-注水钢管；12-蓄存压裂介质水和油的储能器；13-封孔器；14-压裂钢管(管壁打孔)；15-预裂缝(必要时)；16-下封孔器注水管；17-水力压裂钻孔。
图2 顶板水力压裂工作原理
Fig.2 Working principle of roof hydraulic fracturing
3 水力压裂切顶卸压护巷技术应用
3.1 施工工艺
通过在68306回风巷煤柱侧顶板岩体实施水力压裂切顶卸压技术切断煤柱上部坚硬厚顶板，减小侧向悬臂梁的长度，削弱或转移煤柱上覆的高应力，降低煤柱的载荷，使68306底抽巷处于低应力区域，从根本上改变巷道围岩的应力状态，达到卸压护巷的效果。具体的技术施工工艺如下：
(1)采用横向切槽的特殊钻头，预制横向切槽。
(2)采用跨式膨胀型封孔系统，利用手动泵为封隔器加压使胶筒膨胀，达到封孔目的。
(3)连接高压泵实施压裂，采用后退式单孔多次压裂，同时采用数据采集仪采集压裂过程实时压力，监测和指导施工。
(4)压裂后，通过钻孔窥视设备和压力监测结果评价压裂效果。
3.2 水力压裂钻孔设计
压裂钻孔布置于68306回风巷靠煤柱侧顶板，距帮1 m，钻孔间距为8～10 m，钻孔长度为45 m，穿过基本顶，仰角为35～50°，与巷道走向平行。压裂钻孔施工钻头直径为56 mm，钻杆直径为42 mm。水力压裂切顶卸压钻孔布置如图3所示。
(a)主视图
(b)左视图
图3 水力压裂切顶卸压钻孔布置
Fig.3 Borehole layout of hydraulic fracturing roof cutting and pressure relief
3.3 现场试验结果
在杜儿坪煤矿68306工作面回风巷开展了水力压裂切顶卸压护巷试验，沿巷道走向共布设试验钻孔16组。为不影响工作面正常回采，水力切顶试验段超前68306工作面50 m布置，采用ZDY1200S钻机及配套钻机平台打设钻孔，采用90 kW高压水泵进行后退式单孔多次压裂，单孔每隔3 m压裂一次，单次持续压裂时间为30 min，压裂时相邻钻孔出水则表明岩层裂隙贯通，压裂到距孔口8 m处停止压裂。其中封孔压力为12～14 MPa，注水压裂压力为26～32 MPa，保压压力为17～24 MPa。
试验钻孔压裂后采用窥视仪查看内部压裂情况，如图4所示。在压裂过程中，为了实时监测试验过程，利用矿用本质安全型KJ327-F水压致裂数据采集仪实时显示和记录压力变化，其中一段水力压裂过程压力变化数据如图5所示。图5中A即为高压水泵注水增压阶段，随着压力不断增大，预裂缝起裂后水压会有所下降。继而进入保压阶段，即图中B所示，在该阶段，裂纹扩展的同时伴随着新裂纹的产生。待裂隙充分扩展并与相邻钻孔连通后，压力快速下降，进入卸压阶段，如图中C所示。此外，从图5中还可看出，在保压阶段曲线呈现紧密锯齿状，这种在保压范围内的压力波动即意味着裂隙以相对稳定的速度不断地扩展和延伸。保压阶段压力曲线上升和下降也能一定程度上反映压裂范围内岩层性质的变化。
图4 试验钻孔内部压裂效果
Fig.4 Internal fracturing effect of test borehole
图5 水力压裂压力监测曲线
Fig.5 Pressure monitoring curves of hydraulic fracturing
68306工作面回风巷共计施工16个水力切顶钻孔，长度为145 m。为了评价压裂效果，在底抽巷共布置7个测点，定期测量巷道围岩变形情况，结果见表2。从表2可看出，工作面推过70 m后，在多重动压影响下，底抽巷不同位置均出现了一定程度的收缩变形，但是两帮和顶底板变形量分别控制在12%和20%以内，表明通过水力切顶切断了回风巷和区段煤柱的基本顶，阻止了采动应力向煤柱侧的传递，从而减缓了煤柱下底抽巷受动压影响的程度，起到了良好的卸压护巷效果。
表2 水力切顶后动压影响下的底抽巷围岩变形情况
Table 2 Surrounding rock deformation of floor gas drainage roadway affected by dynamic pressure after hydraulic roof cutting
此外，68306回风巷顶板进行水力压裂切顶卸压后，由于切断了巷道和煤柱基本顶的连接，随着工作面的推进,在矿山压力作用下，上隅角顶板能够及时垮落，转移了顶板应力，同时能够保证上隅角悬顶面积不超过10 m2，避免了上隅角瓦斯积聚。
4 结论
(1)针对杜儿坪煤矿68306底抽巷受强烈动压影响下巷道变形严重，无法满足一巷两用的问题，在回风巷靠煤柱侧不采帮顶板上实施水力压裂切顶卸压护巷技术，切断了巷道和煤柱上方基本顶的连接，阻断了工作面顶板压力向煤柱方向的传递，从而减轻了底抽巷受压情况，降低了底抽巷变形量。试验结果表明，实施水力压裂切顶卸压护巷技术后，68306底抽巷变形量明显降低，两帮和顶底板变形量分别控制在12%和20%以内。与此同时，回风巷实施水力切顶后，工作面上隅角悬顶面积得到了有效控制，避免了上隅角瓦斯积聚。
(2)水力压裂切顶卸压技术以其安全性高、施工简单、成本低等优势，在解决本煤层及邻近煤层卸压护巷、上隅角悬顶和瓦斯积聚等问题上具有良好的应用效果和推广价值。
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