第52卷第12期煤炭工程
C O A L EN G IN EERING V〇l.52, No.12
doi ：10.11799/ce202012010
曹秀龙\赵利安2
(1.山西霍州煤电集团有限责任公司，山西霍州031400;
2.辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁阜新123000)
摘要：为了解决干河煤矿2-2092回采巷道在临近采空区影响下巷道变形严重，超前维护量大的问题，采用水力压裂切顶技术削弱岩层的整体性和稳定性，降低集中应力，以达到使巷道处于低应力区域的目的。分析临空动压对超前段巷道的作用机理及水力压裂切顶机理，并根据2-209工作面实际条件，对水力压裂有关参数进行设计，并开展工业性试验，监测数据结果对比分析表明，水力压裂后2-2092巷的底鼓量、顶板下沉量和两帮移近量降低，减小了巷道变形对掘进和回采的影响，节约了支护成本。
关键词：水力压裂法；临空动压；超前支护；工业性试验
中图分类号：TD353 文献标识码：A文章编号：1671-0959(2020) 12-0042-04
Application of hydraulic fracturing roof cutting in advance support of mining roadway
CAO X iu-long1, ZHAO L i-an2
(1. Huozhou Coal and Power Group, Huozhou 031400, China；
2. College of Mining, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China)
A bstract ：Aiming at serious roadway deformation and large amount of advance maintenance in Ganhe Coal Mine 2 - 2092
mining roadway near the goaf, hydraulic fracturing roof cutting is used to weaken the integrity and stability of rock strata, reduce the high concentrated stress, so as to make the roadway in the low stress area. According to the actual conditions of 2-209 working face, the relevant parameters of hydraulic fracturing are designed, and the industrial test is carried out. The comparative analysis of monitoring data shows that the floor heave, roof subsidence and two sidewall displacement of 2-2092 roadway are greatly reduced after hydraulic fracturing, the influence of roadway deformation on driving and mining is alleviated, and the support cost is brought down.
K eyw ords：hydraulic fracturing；dynamical pressure near the goaf；advance support；industrial test
水力压裂技术的历史可以追溯到20世纪40年 代，但直到2003年，国外公司才在油气开发中开始 大规模使用水力压裂技术[1_2]。20世纪70年代，这 种技术被引人煤矿生产中，用于防治瓦斯突出[3]。近年来，随着我国煤炭开采逐渐向深部转移，井下 采掘场所的围岩压力和瓦斯涌出量越来越大，水力 压裂技术在煤矿井下采场上覆坚硬顶板和煤矿瓦斯 治理方面的应用越来越多。在煤矿，水力压裂主要 用于煤层气水力压裂增产[4_7]，采场顶板压裂降低 来压步距和工作面支架工作阻力[8#]和巷道坚硬顶 板卸压等方面。杨健[11]对王坡煤矿3314运输巷水 力压裂钻孔相关施工参数进行确定，并进行工业性试验。高佳永[12]采用FLAC3D摩尔-库伦模型进行了 数值模拟研究，发现模拟结果具有一定可靠性。杜江涛[13]针对霍州某矿工作面上隅角悬顶面积过大以 及回采巷道超前段动压剧烈的问题进行了水力压裂 设计和工业试验，结果表明水力压裂取得了良好的 效果。这些研究促进了水力压裂在巷道支护及控制 上的应用。
1工程背景
霍州煤电集团有限公司干河煤矿开采的2#煤层 埋藏较深，埋藏深度超过500m，煤层厚度1.91 ~
收稿日期：2020-03-15
作者简介：曹秀龙（1986—），男，山西临汾人，工程师，主要从事煤矿安全生产管理工作，E-m ai丨：380482907@qq。
引用格式：曹秀龙，赵利安.水力压裂切顶技术在巷道超前支护中的应用研究[J].煤炭工程，2020, 52( 12): 42-45.
42
2020年第12期煤炭工程施工技术
2012年 终采线
2-1002巷
2-100工作面采空区
民、2-2092巷2-209工作面推进至1500m
4.3m，平均厚度3.9m，采高3.9m，煤层倾角1。〜11°，平均5°，走向长度2160m，倾斜长度183m。其2-209工作面位于+80水平二采区右翼，工作面 东北为井田边界，西南毗邻二采区回风巷，西北侧
为实体煤，2-100工作面采空区位于其东南侧，2- 209工作面如图1所示。工作面采用单一走向长壁 采煤方法，采用综合机械化采煤工艺，顶板处理采 用全部垮落法。
一.哭2-2091 巷
采
区
胶
1
采理是破坏此悬臂梁结构，在巷道顶板附近形成破碎 带，使煤柱上方的岩层由“固支”变为“简支”，降低煤柱上方顶板向下传递的应力值，从而减少巷 道应力集中。
由于煤柱宽度为25m，宽度较大，煤柱垂直应 力分布呈不对称马鞍形，采空区一侧应力较大，如图2所示。采动水力压裂切顶后，能够降低靠近2- 209巷煤柱侧的应力。
关键层
压裂前的应力
压裂后的应力
图2
煤柱2-209巷
压裂切顶对煤柱上应力变化情况
2.2压裂参数设计
2.2. 1钻孔布置
试验巷道长度215m(终采线以里215m), 2- 2092 巷切顶卸压钻孔布置如图3所示。布置2种钻孔，分 别为钻孔S和钻孔S'，压裂钻孔布置剖面如图4所 示。压裂钻孔施工采用ZDY1200S钻机及配套钻机平 台，钻杆直径42_，配套直径56m m的钻头。试验 巷道内共计施工钻孔45个，其中压裂钻孔42个。
采
5(、2-2092巷
2-2091 巷
n100m 丨丨115m |
卜u L丨
最终
终采线
S，钻孔10m8m
2012年
终采线
S钻孔嶋
2-100工作面采空区
道风
巷巷
2-1001 巷
图3 2-2092巷切顶卸压钻孔布置方式
(a)压裂钻孔S布置方案（b)压裂钻孔S’布置方案
图4 2-2092巷压裂钻孔布置（m)
煤层上覆岩层各层载荷计算结果表明，切顶关键 层为第9层（细粒砂岩，厚度4.8m)。通过估算可知,
-：r
2-1001巷
风
巷巷
图12-209工作面位置
2-209工作面临近采空区侧巷道在本工作面回
采时超前维护长度普遍超过l〇〇m，而且巷道顶底板
移近量超过1.0m，两帮回缩量超过1.0m，底板剧
烈鼓起，巷道超前支护段维护和返修工程量巨大,
甚至出现个别工作面提前终止结束回采等问题。尽
管回采过程中2-2092巷采用4排单体液压支护配合
T T梁加强支护，但巷道变形破坏仍然相当严重，巷
道起底工作量和超前维护量巨大，严重阻碍2-209
工作面安全高效回采。为了更好地控制2-209工作
面超前应力，进行了水力压裂参数设计和工业试验。
2水力切顶卸压方案参数设计
钨精矿2. 1水力切顶卸压原理
2-100工作面已回采完毕，其采空区会在2-
2092巷方向顶板形成悬臂梁结构，悬臂梁结构产生
的应力集中都会使2-2092巷围岩应力增加，由于该
临空动压的影响，2-209回采工作面超前段巷道变
形量大，增加了维护难度。而水力切顶卸压的关键
就是将临空侧煤柱上方悬臂梁切落，以减小悬臂梁
上覆荷载及回转变形，切断或大大削弱岩梁传递到
护巷煤柱和留设巷道内的荷载，从根本上降低悬臂
梁结构产生的应力集中，降低巷道围岩应力，使巷职教新干线
道围岩应力处于围岩流变扰动阈值以下，从而达到
控制巷道变形量的目的[15]。
临近工作面采空在侧向形成悬臂梁结构，该结
构是巷道受侧向采动影响的关键，侧向采动卸压机
43
施工技术煤炭工程2020年第12期
2#煤层距离关键层距离为30m，又考虑到钻机打钻最 大仰角为50°，从而确定钻孔长度至少应为40m，以便水力破断关键层，考虑裂纹扩展过程中的滤失、变 向及多裂缝扩展，并考虑一定的富裕系数，确定高压 注水泵的压力为62MPa，流量为80L/min。
如图4(a)所示，压裂钻孔S距离巷道左帮（煤壁 帮）1.5~2. 5m，钻孔长度40. 5m，初期孔间距为16m，后期调整孔间距为10m，水平方向与巷道走向夹角 90°，仰角为50。；如图4(b)所示，压裂钻孔S'距离 巷道右帮（煤柱帮）].0~2.5«1，钻孔长度40.5111，初 期孔间距煤柱侧为8m，后期调整孔间距为10m，水平 方向与巷道走向夹角5°~ 10°，仰角为50°。
2.2.2钻孔压裂步骤及主要构成
顶板水力压裂包括封孔、高压水压裂、保压注 水三项主要工序，该压裂系统主要由以下几部分组 成：静压水进水管路、高压水泵、水泵压力表、蓄存压裂介质水和油的储能器、手动栗、手动泵压力 表、快速连接的高压供水胶管、封孔器。水力压裂 系统构成如图5所示[16]。
1一静压水进水管路；2—高压水杲；3—水泵压力表；4一流量计；
5—手动泵；6—快速连接的高压供水胶管；7—手动泵压力表；
恰似西来8—水压仪；9—接头；10—注水钢管；11一树脂管；
12—储存压裂介质水和油的储能器；13—封孔器；
14一压裂钢管（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5水力压裂系统构成
采用单孔后退式多次压裂方式[17]，每隔3m压 裂一次，单孔压裂次数1〇~13次（次数可根据实际 情况进行调整）。为了安全起见，距离距孔口 10m 左右停止压裂。若压裂过程中，发现顶板出现大面 积出水或者异常响声，就应及时停止压裂。
2.2.3钻孔压裂流程
水力压裂流程为：接封孔器—接注水管—接通 高压水栗—封孔器加压—开高压栗，注水压裂—压 裂30m in或相邻孔出水后停栗—封孔器泄压—交替 压裂其他孔或退下2m开始第二段压裂—开启循环压 裂过程直至退至13m。
443水力压裂施工效果对比分析
此处通过对比非压裂卸压段的3个测站和压裂 卸压段的1#一10#测站的底鼓量、顶板下沉量和两帮 移近量，来分析所采用的水力压裂卸压技术的使用 效果。
3.1底鼓量对比分析
非压裂段内A、B和C三个测站的底鼓量变化 曲线如图6所示，由图6可知，超前工作面150m处 发生底鼓现象，从超前l〇〇m明显增加，超前50m 底鼓急剧增加，三个测站最终底鼓量分别为〇.52m、0.68m和0.72m。
图6 A、B和C三个测站底鼓量变化曲线
压裂卸压段内1#一10#测站的底鼓量变化监测结 果显示，个别测站超前150m既出现底鼓现象，但在 超前150m到超前50m范围内底鼓变形变化不大，直至超前工作面15~20m距离，2#—10#测站底鼓量 才急剧增加。对比发现，采用水力压裂技术后，底 鼓量较非压裂卸压段大幅度降低，在0.17 ~0. 32m 之间。
3.2顶板下沉量对比分析
非压裂段内A、B和C三个测站的顶板下沉量 变化曲线如图7所示，由图7可知，超前工作面距 离150m即有顶板下沉现象，从超前100m开始明显 增加，三个测站最终下沉量分别为0.43m、0.42m 和0.26m。
压裂卸压段内1#一10#测站的顶板下沉量变化监 测结果显示，个别测站超前150m既出现顶板下沉现 象，且下沉量在超前丨50m到超前50m范围内变化 不大。直至超前工作面15〜20m，2#—10#测站顶板 下沉量才急剧增加。最终顶板下沉量为〇.〇85〜0.25m，较非压裂卸压段大大降低。
3.3两帮移近量对比分析
为非压裂段内A、B和C三个测站的两帮移近 量变化曲线如图8所示，由图8
九龙入海
可知，超前工作面
2020年第12期煤炭工程施工技术
200m即有两帮移近现象，从超前100m明显增加，三个测站最终两帮移近量分别为1.16m、1.16m 和 1.03m。
压裂卸压段内1#一10#测站的两帮移近量变化监 测结果显示，个别测站超前200m即出现两帮移近现 象，但在超前150m到超前50m范围内变化不大，直至超前工作面50m才急剧增加。最终移近量较非 压裂卸压段有大幅降低，在0.465 ~ 0.87m之间。
上述水力压裂技术还在控制2-118D1巷掘进 (2-118D工作面回采）期间巷道的变形量方面进行 检验和应用。该试验巷道长度360m。设计钻孔1排，钻孔仰角为50°，与巷道长轴线成3°〜5°角度；施工钻孔共计36个，钻孔间距10m左右，钻孔深度 为50m，垂直深度38m。检测结果发现，采用水力 压裂技术后，2-118D1巷在采掘期间，巷道收缩变 形量较小，底板底鼓量0.06~0. 33m，顶板下沉量0.03~0. 11m，两帮移近量0. 14~0.5m。可见，米用 水力压裂技术，避免了 2-118D1巷回缩严重影响掘 进、回采的问题，达到了预期的不影响回采、不再 二次维护巷道的目的，也解决了该采空区对邻近巷 道产生的动压影响的问题。采用该技术还可实现邻 巷在卸压区域内煤柱侧帮无需采用帮锚索支护，降低了巷道支护难度，节约了支护成本，优化了矿井 采掘衔接，保障了矿井正常生产组织。4结语
为了解决干河煤矿2-2092巷变形严重，超前维 护量大的问题，对水力压裂有关参数进行了设计，并进
行了工业性试验，监测数据对比分析结果表明：采用水力压裂切顶技术后，解决了临空动压影响带 来的回采工作面超前段巷道变形量大的难题，巷道 的底鼓量、顶板底板和两帮移近量大幅降低，节约 了支护成本，优化了采掘衔接。
参考文献：
[1] 叶静，胡永全，叶生林，等.页岩气藏水力压裂技术进展
[J].天然气勘探与开发，2012 , 35(4): 64-68.
[2] 于晓，玉邵晨.水力压裂在油气田勘探开发中的关键作用
[J]•化学工程与装备，2016(5): 98-99.
[3] 王耀锋，何学秋，王恩元，等.水力化煤层增透技术研究进
展及发展趋势[J].煤炭学报，20M, 39(10):
1945-1955.
[4] Dennis John Black, N aj Aziz. Hydraulic fracturing in underground
coal mines [J]. Asia Pacific Coalbed Methane Symposium, 2008. [5] 鲍先凯，杨东伟，段东明，等.高压电脉冲水力压裂法煤层
气增透的试验与数值模拟[J].岩石力学与工程学报，金鸡奖2017
2017, 36(10)：2415-2423.
[6] 孙敏娜.水力压裂提高煤层气采收率技术研究[D].西安：
西安石油大学，2012.
[7] Ni G, Xie H, Li Z, et al. Improving the permeability of coal城市管理执法办法
seam with pulsating hydraulic fracturing technique：a case study
in Changping coal mine, China [ J]. Process Safety &Environ
mental Protection, 2018, 117：565-572.
[8] 张向阳.定向水力压裂在煤矿坚硬顶板弱化中的应用[J].
山西煤炭，2016(4): 34-36, 40.
[9] 刘宏鹏.综放工作面顶板及上覆煤柱水力预裂卸压技术研究
[J].江西煤炭科技，2019(2): 82-85.
[10] 陈竹.水力预裂放顶技术在短壁回采工作面顶板控制中的
应用[J].中国煤炭工业，2017(12): 54-57.
[11] 杨健.水力压裂切顶卸压技术在王坡煤矿的应用[J].煤
炭工程，2019, 51(10): 64-67.
[12] 高佳永.采动影响下水力压裂法巷道底鼓防治研究[J].当
代化工研究，2020 (1): 96-97.
[13] 杜江涛.水力预裂超前切顶卸压治理巷道动压技术[J].江
西煤炭科技，2019(2): 77-78, 85.
[14] 陶鑫.潞宁煤矿31101工作面坚硬顶板水力压裂技术研究
[D].徐州：中国矿业大学，2019.
[15] 王文林，马赛.大采高工作面复杂应力扰动下切顶卸压沿
空留巷技术[J].煤炭工程，2020, 52(4): 33-37.
[16] 苏波.水力压裂技术在煤矿坚硬难垮顶板中的应用[J].
煤炭工程，2019，51(4): 54-57.
[17] 冯彦军，陈金宇，司林坡.综放工作面水力预裂初次放顶技
术及应用[J].煤炭技术，2017(3): 30-32.
(责任编辑苏越）
45
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议