同忻礦8106工作面堅(jiān)硬頂板水壓致裂技術(shù)研究實(shí)踐

武潔

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司資源籌備處 ，山西 大同 037003）

1 工程背景

同煤集團(tuán)同忻礦8106工作面現(xiàn)主采石炭系太原組3～5#煤，煤層均厚14.47m，平均開(kāi)采深度約417m，煤層平均傾角為3°，屬于近水平煤層，上覆直接頂為均厚12.52m的砂質(zhì)泥巖、2#煤層及細(xì)砂巖組成的復(fù)合頂板，老頂為均厚15.11m的細(xì)砂巖中砂巖互層（K3老頂），該老頂巖性致密、以石英和長(zhǎng)石為主、強(qiáng)度及穩(wěn)定性均較好。工作面采用綜采放頂煤開(kāi)采工藝，該工作面純煤層厚度為13.33m，采煤高度3.5m，放煤高度9.83m，采放比為1：2.81，煤機(jī)截深為0.8m，一采一放，全部垮落法處理采空區(qū)。

通過(guò)對(duì)8105工作面回采過(guò)程中礦壓觀測(cè)可知，老頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距約為130.8m，周期來(lái)壓步距約為18.3m左右，來(lái)壓期間頂板壓力較大，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，液壓支架安全閥開(kāi)啟頻繁，活柱下縮量最大可達(dá)到300mm/h，工作阻力可達(dá)到14000kN以上，工作面中部礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)于兩個(gè)端頭，同時(shí)伴隨煤壁片幫等現(xiàn)象發(fā)生，片幫深度可達(dá)1000mm以上。順槽超前支護(hù)段出現(xiàn)支柱折損、鋼梁壓彎、頂板急劇下沉等強(qiáng)礦壓現(xiàn)象。對(duì)工作面上覆頂板運(yùn)動(dòng)的微震監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，特厚煤層回采動(dòng)壓影響范圍為工作面煤壁前方50～60m范圍，對(duì)上覆頂板影響高度在170m左右。

2 堅(jiān)硬頂板水壓致裂控制技術(shù)

同忻礦所采石炭系特厚煤層在使用綜放開(kāi)采技術(shù)時(shí)所表現(xiàn)出的強(qiáng)礦壓現(xiàn)象是多種因素綜合作用的結(jié)果，地質(zhì)構(gòu)造導(dǎo)致的應(yīng)力集中程度高、煤層上覆數(shù)層厚硬頂板的分期破斷變形失穩(wěn)、回采巷道動(dòng)壓應(yīng)力高、侏羅系上組煤采后遺留的采空區(qū)及煤柱等，都會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)礦壓現(xiàn)象發(fā)生。針對(duì)該礦特厚煤層的賦存情況及生產(chǎn)條件，僅靠提高液壓支架對(duì)頂板的支承強(qiáng)度無(wú)法完全阻止強(qiáng)礦壓現(xiàn)象的發(fā)生，因此通過(guò)對(duì)頂板強(qiáng)度進(jìn)行弱化，對(duì)高應(yīng)力條件進(jìn)行緩解，合理選用支架工作阻力，才能從根本上防止上述強(qiáng)礦壓現(xiàn)象的發(fā)生。

2.1 水壓致裂施工工藝流程

水壓致裂工業(yè)性試驗(yàn)選在同忻礦8106工作面進(jìn)行，所需壓裂設(shè)備主要有：隔爆型水利壓力電動(dòng)機(jī)、BZW200/56型注水泵、容積3000L的SX3000型清水箱、電器控制箱、切槽鉆頭、封孔器及安裝桿等。

注水施工包括鉆孔、封孔及注水三個(gè)步驟，其設(shè)備布置如圖1所示。

圖1 水壓致裂施工系統(tǒng)布置圖

1）鉆孔。將鉆機(jī)放置于工作面順槽內(nèi)，若巷道斷面大小無(wú)法滿足設(shè)備需求可新開(kāi)掘鉆場(chǎng)，根據(jù)設(shè)計(jì)方案中的仰斜及水平角度朝頂板進(jìn)行鉆孔，所需鉆機(jī)型號(hào)根據(jù)巖層情況及鉆孔參數(shù)來(lái)選取，針對(duì)砂巖頂板可選用TXU-75型、FRA-160型或MYZ-150型。為方便鉆孔及封孔施工的進(jìn)行，施工點(diǎn)應(yīng)壁面光滑、巖層內(nèi)無(wú)明顯的節(jié)理裂隙及離層等現(xiàn)象，鉆孔施工完成后將切槽刀具放入鉆孔底部以切出楔形槽，如圖2所示。

圖2 切槽示意圖

2）割縫。割縫設(shè)備如圖3所示，將機(jī)身1與導(dǎo)向裝置組合在一起，其中有一個(gè)縱向的開(kāi)槽，刀具5通過(guò)螺栓8連接在機(jī)身1上，并將其放置于導(dǎo)向裝置2軸線方向的切槽中，使其能在軸線方向運(yùn)動(dòng)。上述設(shè)備原件除可同時(shí)運(yùn)動(dòng)外，可沿著軸向和徑向帶動(dòng)穩(wěn)定裝置10進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。通過(guò)復(fù)位彈簧可以使處于極限拉伸狀態(tài)的導(dǎo)向裝置2和機(jī)身1連接。刀具5處于導(dǎo)向裝置外部，通過(guò)剪切方式向前運(yùn)動(dòng)。在儀器的末端有定向錐3和連接器，通過(guò)二者的作用使鉆桿與儀器相連接。

圖3 割縫設(shè)備示意圖

在具體施工中，首先將設(shè)備機(jī)身和鉆孔相連接并放入鉆孔中，同時(shí)將定向錐推入孔底。機(jī)具在孔中先原地進(jìn)行空鉆，待將鉆孔中的泥漿沖出并有清水流出時(shí)，隨后向前推動(dòng)鉆桿運(yùn)動(dòng)，其向前移動(dòng)量應(yīng)小于切槽縱向方向的長(zhǎng)度，進(jìn)而將裂縫預(yù)切出。鉆桿在運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)緩慢進(jìn)行，以防止將刀具損壞。鉆桿不向前移動(dòng)時(shí)應(yīng)原地旋轉(zhuǎn)1min左右，以方便鉆具從切縫中移出。在鉆機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)且待復(fù)位彈簧將刀具撤回后，將鉆桿從鉆孔中取出。

3）封孔。采用專(zhuān)用橡膠封孔器進(jìn)行封孔，將其放入鉆孔內(nèi)指定位置，當(dāng)注液壓力達(dá)到9～12MPa時(shí)，使封頭在鉆孔中膨脹，即可實(shí)現(xiàn)封孔。

4）注水。水源可使用礦井水，將水由地面蓄水池經(jīng)井下輸水管路送到鉆孔施工地點(diǎn)，將水過(guò)濾后通過(guò)高壓注水泵將其注入頂板中，在水泵的注水口和出水口分別安裝流量計(jì)和壓力表，以對(duì)注水量和出水壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

5）監(jiān)測(cè)。通過(guò)監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備對(duì)水力壓裂過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，需重點(diǎn)監(jiān)測(cè)注水壓力及孔周邊巖體壓力等，當(dāng)巖體壓力下降至5MPa時(shí)，可認(rèn)為巖體已壓裂，致裂完成。

2.2 水壓致裂弱化頂板關(guān)鍵參數(shù)確定

現(xiàn)場(chǎng)施工效果的好壞受煤巖體物理力學(xué)參數(shù)、鉆孔及注水參數(shù)等。當(dāng)工作面長(zhǎng)度低于100m時(shí)可單向布置鉆孔，當(dāng)工作面長(zhǎng)度超過(guò)100m時(shí)可雙向布置鉆孔，同時(shí)應(yīng)考慮鉆孔深度、鉆孔角度、鉆孔間距、封孔長(zhǎng)度、注水量、注水壓力及注水時(shí)間等。

1）水壓致裂位置，通過(guò)水壓致裂應(yīng)使上覆厚硬頂板巖梁的懸露高度減小，使其抗彎截面系數(shù)減小、完整性遭到破壞，最終減小頂板巖梁的極限垮落步距，從而緩解厚硬頂板大面積垮落而造成的強(qiáng)礦壓現(xiàn)象，水壓致裂位置如圖4所示。

圖4 水壓致裂位置

頂板巖梁的彎矩極值Mmax和抗彎截面系數(shù)分別為：

其中：

（qn)0為堅(jiān)硬巖層上覆n層巖層作用于其的載荷值，按下式計(jì)算：

式中：hi為頂板上覆巖層的厚度；E和Ei分別為堅(jiān)硬巖層及其上覆各巖層的彈性模量；γ和γi分別為堅(jiān)硬巖層及其上覆各巖層的容重；L0為頂板極限破斷步距；d為水壓致裂后堅(jiān)硬巖層及其上位巖層載荷傳遞系數(shù)；Hc為水壓致裂后殘余頂板巖層厚度。若要求水壓致裂強(qiáng)制放頂后的頂板極限破斷步距L1是未采取措施前L0的的1/n倍，則進(jìn)采用水壓致裂措施時(shí)的鉆孔深度H1可由下式計(jì)算：

將該工作面相關(guān)參數(shù)帶入計(jì)算可得致裂到關(guān)鍵層垂高為54m，考慮到現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)距離鉆孔施工難度大，因此致裂的頂板垂高為30m，鉆孔傾角按45°選取，最終的鉆孔斜長(zhǎng)為43m。這樣致裂的巖層可緩解厚硬頂板破斷變形而導(dǎo)致的失穩(wěn)現(xiàn)象。

2）鉆孔間距，主要由注水孔的濕潤(rùn)半徑來(lái)確定，而濕潤(rùn)半徑通常與致裂巖層的巖性、注水量、注水時(shí)間及注水壓力等，應(yīng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)綜合確定。通常按30～40m選取，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，在距離注水鉆孔20m的觀測(cè)鉆孔發(fā)現(xiàn)有液體流出，由此可知，當(dāng)鉆孔間距設(shè)計(jì)為40m時(shí)，可確保在水壓致裂作用下相鄰兩孔可發(fā)生貫通，對(duì)堅(jiān)硬頂板起到致裂破斷作用。

3）封孔長(zhǎng)度，封孔選用專(zhuān)用橡膠封孔器，其全長(zhǎng)為40m，有效封孔長(zhǎng)度為38m。

4）注水壓力，致裂水壓應(yīng)大于煤巖體的抗拉極限強(qiáng)度，從而達(dá)到既能將煤巖體破裂，同時(shí)不會(huì)使水壓從裂隙中釋放，根據(jù)工作面實(shí)際情況，將致裂水壓力取56MPa。

5）注水量與注水時(shí)間，頂板注入高壓水量的大小對(duì)施工效果影響很大，若注水量過(guò)小，則無(wú)法有效弱化頂板，若注水量過(guò)大，則導(dǎo)致頂板過(guò)于破碎，易引發(fā)冒頂事故。注水量可通過(guò)浸水試驗(yàn)和施工條件綜合確定。在現(xiàn)場(chǎng)施工中，單孔注水量可按0.8m3取，單孔注水時(shí)間約500s左右。

2.3 水壓致裂施工工藝及效果分析

受8106工作面回采動(dòng)壓影響，5106巷來(lái)壓明顯，巷道頂板發(fā)生嚴(yán)重的破碎變形，因此在5106巷內(nèi)進(jìn)行定向水壓致裂施工，鉆孔終孔位置位于K3老頂，通過(guò)對(duì)弱化處理使其能夠在工作面回采過(guò)程中及時(shí)發(fā)生垮落，及時(shí)釋放頂板壓力，防止強(qiáng)礦壓現(xiàn)象發(fā)生。5106巷與上區(qū)段采空區(qū)間區(qū)段煤柱寬度為38m，為緩解采空側(cè)懸頂結(jié)構(gòu)對(duì)本工作回采影響，水壓致裂鉆孔施工位置朝向8105工作面采空區(qū)，鉆孔間距按40m設(shè)計(jì)，在地質(zhì)條件較差的地段可適當(dāng)增大或減小孔間距，鉆孔施工如圖5所示。

圖5 8106工作面水壓致裂鉆孔施工示意圖

3 施工效果分析

通過(guò)對(duì)工作面堅(jiān)硬頂板進(jìn)行水壓致裂施工，使工作面上覆頂板斷裂位置內(nèi)移，圍巖高應(yīng)力由采空側(cè)向煤體深部轉(zhuǎn)移，避免了回采巷道在超前支護(hù)段外出現(xiàn)采空側(cè)圍巖懸臂結(jié)構(gòu)和本工作回采動(dòng)壓的雙重影響，使回采巷道處于低應(yīng)力區(qū)，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度明顯降低，有利于巷道穩(wěn)定性維護(hù)，減少了巷道二次維修費(fèi)用。

試驗(yàn)段先施工7個(gè)鉆孔，編號(hào)為HYD-1～HYD-7，在進(jìn)行水壓致裂時(shí)，當(dāng)某一鉆孔致裂時(shí)，其余鉆孔可兼作為效果觀測(cè)孔，與致裂孔相距最遠(yuǎn)90m處鉆孔可有水溢出，多數(shù)鉆孔致裂范圍可達(dá)到55m左右。對(duì)控制箱內(nèi)注水壓力每隔50s進(jìn)行一次采集，繪制如圖6所示的壓力與時(shí)間的曲線，以對(duì)壓力過(guò)程進(jìn)行分析研究。

圖6 水壓致裂壓力-時(shí)間曲線

由圖6可知，1號(hào)和3號(hào)鉆孔在相對(duì)恒定的水壓力作用下，圍巖裂隙發(fā)生擴(kuò)展；4號(hào)、5號(hào)和7號(hào)鉆孔內(nèi)水壓力隨時(shí)間增長(zhǎng)出現(xiàn)一定的升降變化，表明該處煤巖體表現(xiàn)為各向異性和非連續(xù)性；2號(hào)鉆孔內(nèi)水壓力隨時(shí)間變化持續(xù)上升，表明該處煤巖體所處地應(yīng)力環(huán)境異?；蜚@孔裂紋擴(kuò)展反向與煤巖體結(jié)構(gòu)面垂直所致。

通過(guò)水壓致裂堅(jiān)硬老頂后，8106工作面初次來(lái)壓步距為51.6m，支架動(dòng)載系數(shù)為1.75，水壓致裂前平均周期來(lái)壓步距為18.7m，支架平均動(dòng)載系數(shù)為1.69；水壓致裂后，前三次周期來(lái)壓步距分別為16.4m、16.2m、17.7m，支架平均動(dòng)載系數(shù)減小到1.53。表明通過(guò)水壓致裂可使工作面上覆頂板得到一定程度的弱化，周期來(lái)壓步距和強(qiáng)度都得到減小。5106順槽超前支護(hù)段內(nèi)頂板基本無(wú)下沉，巷道變形量較小，支護(hù)效果良好，表明水壓致裂可起到切頂卸壓護(hù)巷的作用。

4 結(jié) 論

通過(guò)礦壓觀測(cè)總結(jié)了堅(jiān)硬頂板礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，并提出通過(guò)水壓致裂解決堅(jiān)硬頂板情況下的強(qiáng)礦壓?jiǎn)栴}，在同忻礦8106工作面現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明，水壓致裂不但使工作面來(lái)壓步距和強(qiáng)度得到減小，同時(shí)起到切頂護(hù)巷作用，技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效益明顯。