綜采工作面端頭懸頂水力致裂試驗研究

王慧林，王金國，張大明，洪 光

(1.中煤陜西榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 719000；2.延安市禾草溝煤業(yè)有限公司，陜西 延安 717300； 3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000； 4.阜新高等專科學(xué)校，遼寧 阜新 123000)

采空區(qū)頂板大面積懸頂不僅會產(chǎn)生沖擊地壓危險，而且對于高瓦斯礦井，將會導(dǎo)致采空區(qū)中積存的瓦斯瞬間涌出，造成工作面回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛瘸?，?yán)重影響礦井安全生產(chǎn)。目前處理采空區(qū)頂板大面積懸頂?shù)姆椒ㄖ饕兴χ铝逊ê蜕羁最A(yù)裂法[1]。但《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：嚴(yán)禁在工作面采動影響區(qū)內(nèi)采用炸藥爆破方法處理堅硬頂板[2]。由于禾草溝煤礦在開采過程中綜采工作面端頭三角區(qū)形成周期性懸頂，懸頂突然垮落后將采空區(qū)中的瓦斯擠出造成隅角瓦斯超限，威脅著礦井安全生產(chǎn)。因此，為了解決上述問題，開展了綜采工作面端頭懸頂水力致裂試驗研究。

1 工作面概況

禾草溝煤礦5號煤層50115綜采工作面所在煤層結(jié)構(gòu)單一穩(wěn)定，平均煤厚2.24m。直接頂主要為灰黑色油頁巖，平均厚度為11.04m，中間夾淺灰色鋁土質(zhì)泥巖薄層，質(zhì)軟，遇水易變軟，易風(fēng)化破碎；基本頂為灰白色細(xì)粒砂巖，平均厚度為19.07m。回采巷道頂板為復(fù)合型頂板，50115回風(fēng)巷為矩形斷面，斷面尺寸為4.8m×2.6m。在掘進(jìn)期間的支護(hù)情況：頂板均采用錨、網(wǎng)、索、鋼帶聯(lián)合支護(hù)。

2 頂板控制思路

頂板水力致裂可人工增加水壓裂縫的數(shù)目，在頂板中形成水壓裂縫網(wǎng)絡(luò)，破壞其整體性，從而改善頂板的垮落性[3]。由于頂板是復(fù)合頂板，存在泥巖等夾層，在注水過程中容易對其進(jìn)行軟化，破壞泥巖層的力學(xué)性能，進(jìn)而降低整個頂板巖層的完整性[4]。在工作面超前支護(hù)段內(nèi)預(yù)裂頂板，頂板在水壓力作用下產(chǎn)生多條裂縫，破壞頂板的完整性，但是破裂的巖體之間仍然能夠相互擠壓形成一定的自穩(wěn)結(jié)構(gòu)，確保水力致裂后頂板的安全性[5]。

3 設(shè)計方案

3.1 基本措施

在50115回風(fēng)巷超前支護(hù)段內(nèi)副幫，用錨索鉆機(jī)豎直向上施工1組孔徑32mm、孔深10m、孔間距6m的鉆孔；在50115回風(fēng)巷超前支護(hù)段內(nèi)正幫，用錨索鉆機(jī)豎直向上施工1組孔徑32mm、孔深8m、孔間距6m的鉆孔。正副幫鉆孔采用“三花”布置，如圖1。試驗階段對超前支護(hù)段進(jìn)行補(bǔ)充加強(qiáng)支護(hù)，每排打4根單體支柱，每0.8m打1排單體。

圖1 水力致裂鉆孔布置

3.2 壓裂段加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計

工作面端頭水力致裂頂板，一般會在水平和豎直多個方向都有裂縫。考慮到禾草溝礦5號煤層為復(fù)合頂板，裂縫的形態(tài)更加復(fù)雜，頂板的整體性和穩(wěn)定性更容易被破壞。為了保證壓裂過程和壓裂后頂板的安全性，壓裂段支護(hù)設(shè)計應(yīng)該按照最不利的情況考慮：考慮到正幫水力致裂孔深度為8m，副幫水力致裂孔深度為10m，錨索支護(hù)最大深度為7.9m，并且水壓裂縫只是對頂板和支護(hù)造成一定弱化和擾動，并不能完全使其破碎垮落，因此按照10m巖柱計算巖層重量。為了確保壓裂期間的頂板穩(wěn)定安全，對最不利情況下的支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行驗算。

(1)巖柱的重量：

G=a×b×h×γ=20×4.8×10×25000=

2.4×107(N)

式中，G為巖柱的重量；a為壓裂段長度，m；b為巷道寬度，m；h為壓裂深度，m；γ為巖柱的平均容重，取25000N/m3。

(2)加強(qiáng)支護(hù)前，超前支護(hù)段的單體柱的支撐力：

F=c×n×p=2×20×250×103=1×107(N)

式中，F(xiàn)為致裂區(qū)域的單體柱的支撐力，N；c為單排單體柱數(shù)量；n為單體柱排數(shù)；p為單體柱的額定工作阻力，kN。

綜上所述，F(xiàn)

因此，必須在目前超前支護(hù)的基礎(chǔ)上增加支護(hù)強(qiáng)度，超前支護(hù)段每排施工4根單體柱，排距0.8m，共計25排。經(jīng)計算，加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度后，單體柱的支撐力F1= 2.5×107N，即F1>G，超前支護(hù)段的單體柱的支撐力足以支撐上覆10m巖柱的全部重量。

3.3 鉆孔布置和實施參數(shù)

在50115工作面回風(fēng)巷超前支護(hù)段實施水力致裂綜采工作面端頭頂板，使用60MPa水力致裂成套裝備，排量為112 L/min，配套的管路、封孔器、安裝桿額定壓力均為60MPa以上，壓裂期間采用水壓力動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測壓裂期間的水壓力，采用錨索鉆機(jī)垂直頂板施工壓裂鉆孔，在試驗段共施工17個鉆孔，鉆孔位置如圖2，施工和壓裂順序均按照推進(jìn)方向依次進(jìn)行，部分鉆孔的施工參數(shù)見表1，部分壓裂孔的施工水壓力曲線如圖3。

圖2 鉆孔相對位置示意

表1 部分鉆孔壓裂參數(shù)

圖3 各鉆孔水力致裂施工水壓力曲線

從各孔水壓力曲線圖中可以看出，水壓力整體穩(wěn)定在50MPa以上，曲線中會存在較少的波動，說明水壓裂縫此刻出現(xiàn)了較大范圍的擴(kuò)展，高壓水來不及補(bǔ)充，反饋出瞬間的壓力降低。壓裂過程中，水壓力曲線的總體趨勢為前期波動較大，后期趨于平穩(wěn)，這是因為前期水壓主裂縫擴(kuò)展，裂縫瞬間擴(kuò)容量大，能夠產(chǎn)生明顯的壓力降低，所以水壓力曲線波動較大，后期主要是翼型分支裂紋擴(kuò)展，裂縫擴(kuò)展相對均勻緩慢，裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)形成的空腔擴(kuò)容速度與高壓泵的泵注速度達(dá)到動態(tài)平衡，所以水壓力曲線相對平緩。雖然水壓力大致保持恒定，但是水壓裂縫前期擴(kuò)展較快，并逐漸趨于緩慢。

4 壓裂效果

4.1 壓裂現(xiàn)象

正幫1號孔共壓裂16min，注水總量為1.8m3，水壓力在40～55MPa，最大水壓力55MPa。壓裂后，鉆孔前后各4m范圍內(nèi)的大部分錨桿錨索均有滲水現(xiàn)象，說明水壓裂縫已經(jīng)擴(kuò)展至半徑為4m范圍，已經(jīng)將該范圍的頂板壓裂開。

副幫1號孔共壓裂16min，注水總量為1.7m3，水壓力在38～55MPa，最大水壓力55MPa。鉆孔壓裂后，巷道內(nèi)距該孔前后各11m范圍內(nèi)的錨桿、錨索均大量淋水，如圖4，且巷道頂板中間位置產(chǎn)生一條明顯的沿巷道方向的水壓裂縫，裂縫淋水量大，說明水壓裂縫已經(jīng)從鉆孔底部擴(kuò)展至頂板表面，頂板被水壓裂縫整體切斷。頂板淋水多為乳白色，根據(jù)觀測，認(rèn)為乳白色的水流可能為壓裂頂板后，從頂板巖層中帶出來的白色巖粉或者礦物質(zhì)，說明頂板巖層被壓裂開。

圖4 錨索淋水

4.2 端頭懸頂控制效果評價

4.2.1工作面周期來壓情況

通過礦方的現(xiàn)場礦壓顯現(xiàn)觀測，水力致裂期間50115工作面8月10日至8月18日共發(fā)生5次周期來壓，分別位于工作面推進(jìn)至982m，993m，1002m，1015m和1027m，從8月12日至8月18日早班，即推進(jìn)度從回風(fēng)巷990m至1030m為壓裂區(qū)域，在該區(qū)域共發(fā)生4次周期來壓。

4.2.2 效果評價

(1)頂板水力致裂有效致裂半徑約為4m(取各試驗鉆孔周圍大量出水的最小值)，因此可將水力致裂孔間距優(yōu)化為8m，從而減小鉆孔的施工工程量，提高鉆孔的利用率，后期可根據(jù)施工的工作面條件具體調(diào)整。

(2)試驗段端頭頂板垮落及時充分，垮落頂板與支架尾梁無空腔，整個試驗段懸頂長度減小6m以上，懸頂問題明顯得到改善，避免了端頭懸頂突然垮落導(dǎo)致的擠出積聚瓦斯，試驗效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

(3)根據(jù)礦方提供的工作面礦壓記錄，水力致裂區(qū)間工作面頂板共發(fā)生4次周期來壓；通過對端頭頂板垮落情況進(jìn)行全程觀測，發(fā)現(xiàn)未壓裂端頭頂板懸頂距離長，垮落時巖石呈破碎狀；已壓裂頂板能隨采隨垮，破碎形態(tài)較為完整，整體下沉垮落，具有明顯的水力致裂特征。通過對比周期來壓和非周期來壓期間的頂板垮落情況，發(fā)現(xiàn)水力致裂的頂板在多次非周期來壓期間垮落效果依然很好，垮落情況的好壞不取決于是否周期來壓。

5 結(jié) 論

通過對禾草溝煤礦50115回風(fēng)巷進(jìn)行的綜采工作面端頭懸頂水力致裂控制試驗，主要結(jié)論如下：

(1)現(xiàn)場共進(jìn)行連續(xù)50m的致裂試驗，致裂水壓力維持在50～60MPa，有效致裂半徑約為4m，因此可將水力致裂孔間距優(yōu)化為8m，從而減小鉆孔的施工工程量。

(2)要求必須在超前支護(hù)段內(nèi)進(jìn)行壓裂作業(yè)且預(yù)留5m的安全距離(即如果超前支護(hù)段長度30m，壓裂作業(yè)只能在超前工作面煤壁25m范圍內(nèi)進(jìn)行)，隨著工作面推進(jìn)而實施，在超前支護(hù)段內(nèi)必須加強(qiáng)支護(hù)，每排施工4根單體支柱，排距為0.8m。

(3)水力致裂區(qū)間工作面頂板共發(fā)生4次周期來壓；通過對端頭頂板垮落情況進(jìn)行全程觀測，試驗段端頭頂板垮落及時充分，垮落頂板與支架尾梁無空腔，整個試驗段懸頂長度減小6m以上，懸頂問題明顯得到改善，避免了端頭懸頂突然垮落導(dǎo)致的擠出積聚瓦斯。