綜采工作面堅硬頂板初放及端頭懸頂水力致裂控制試驗

王俊峰

（山西高平科興米山煤業(yè)有限公司，山西 高平 048404）

0 引 言

我國堅硬頂板煤層約占1/3，煤層上方的堅硬難垮頂板是引發(fā)煤與瓦斯突出、沖擊地壓等災(zāi)害的主要因素之一[1-2]。山西高平科興米山煤業(yè)有限公司開采的15#煤層上覆頂板為6.2m厚石灰?guī)r，由于頂板堅硬、厚度大、強度高、節(jié)理裂隙不發(fā)育，造成其綜采工作面初采期間大面積懸頂難以垮落。而且在正?；夭善陂g，兩側(cè)端頭也會形成周期性懸頂，不符合頂板管理的要求，同時也易導(dǎo)致采空區(qū)瓦斯積聚。人工強制放頂時，傳統(tǒng)的炸藥爆破方法成本高、井下污染大，危險性高。并且由于端頭處于工作面采動影響范圍內(nèi)，炸藥爆破處理端頭懸頂也不符合《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定。

為有效解決堅硬頂板懸頂問題，開展了水力致裂頂板試驗。頂板水力致裂可使水壓裂縫數(shù)量增多，從而在頂板中形成水壓裂縫網(wǎng)絡(luò)，促進原生節(jié)理裂隙的發(fā)育，破壞其整體性，弱化頂板強度，從而改善頂板的冒落[3]。

1 工程概況

水力致裂控制堅硬頂板試驗在15112工作面切眼和其順槽超前支護段內(nèi)進行。

1.1 地質(zhì)概況

15112綜采工作面煤層厚度平均3m，煤層傾角3～8°，煤層埋深126～148m，工作面長度145.5m。煤層頂板為K2灰?guī)r、泥巖，底板為泥巖、鋁土質(zhì)泥巖和砂質(zhì)泥巖。

1.2 生產(chǎn)技術(shù)概況

工作面采用94架ZZ6800/19/38型液壓支架進行支護，支架額定工作阻力6800kN，額定初撐力6185kN，支護強度為0.8～0.96MPa。工作面端頭采用6架ZZG6800/19/38型過渡支架配合單體柱支護。15112切眼設(shè)計長度150m，為矩形斷面，凈寬為7.0m，凈高為3.0m，方位角1度，采用錨桿、菱形網(wǎng)、塑料網(wǎng)、金屬帶狀錨梁和錨索的聯(lián)合支護方式支護。

工作面兩順槽在超前工作面煤壁20m范圍內(nèi)采用兩排單體液壓支柱進行加強支護，單體柱初撐力不低于12MPa。

2 水力致裂試驗方案設(shè)計

2.1 切眼頂板水力致裂鉆孔布置

因工作面切眼支護強度較大，上覆頂板巖層堅硬致密，為了取得更好的致裂效果，確保工作面推過后切眼頂板能夠及時垮落，向切眼四周傾斜一定角度施工鉆孔，壓裂錨固體外的頂板，能夠更好的破壞切眼上部巖層。

切眼內(nèi)在前煤壁、距底板2.5m處沿工作面推進方向，仰角60度斜向上布置一排鉆孔，鉆孔直徑直徑φ75mm，施工深度7m，孔間距15m。切眼內(nèi)在后煤壁、距底板2.5m處沿工作面推進方向的反方向，向后實體煤方向，仰角80°布置一排鉆孔，鉆孔直徑φ75mm，施工深度12 m，鉆孔間距15m與正幫鉆孔相間布置。在切眼兩端頭，分別向回風(fēng)順槽及運輸順槽外幫施工一個仰角80度、孔徑φ75 mm、孔深12m的鉆孔。鉆孔布置如圖1所示。

圖1 切眼初次放頂水力致裂鉆孔布置

2.2 端頭懸頂水力致裂控制試驗方案

圖2 回風(fēng)順槽端頭水力致裂鉆孔布置

在工作面超前支護段內(nèi)通過水力致裂預(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，確保兩端頭頂板在采空區(qū)能夠及時垮落，同時被壓裂的頂板巖體之間仍然能夠相互擠壓形成一定的自穩(wěn)結(jié)構(gòu)。同時，在兩端頭超前支護段加強支護，以確保水力致裂后頂板的安全性。

2.2.1 順槽端頭水力致裂鉆孔布置

在15112工作面回風(fēng)順槽超前支護段內(nèi)靠近煤柱側(cè)，用錨索鉆機豎直向上施工一組孔直徑32 mm、孔深10 m、孔間距8 m的鉆孔；在15112工作面回風(fēng)順槽超前支護段內(nèi)靠近工作面測，用錨索鉆機豎直向上施工一組孔直徑32 mm、孔深6 m、孔間距8 m的鉆孔；靠近工作面?zhèn)鹊你@孔和靠近煤柱側(cè)的鉆孔交錯布置。鉆孔布置如圖2所示。運輸順槽鉆孔布置方式與回風(fēng)順槽相同。

2.2.2 超前支護加強設(shè)計

由于所有鉆孔在超前支護段內(nèi)施工及壓裂，超前支護段要加強支護。

由于水力致裂控制堅硬頂板的最不利情況是水壓裂縫沿錨索錨固端以上巖層內(nèi)近似水平擴展，水力致裂控制區(qū)域的巷道頂板（含錨桿錨固體）完全脫離頂板巖層，所有巖柱重量完全作用于超前支護段的單體支柱上。所以為了確保致裂的安全性，對該種最不利情況下進行支護強度核算分析。

巖柱的重量：

式中：G為巖柱的重量；A為致裂段長度，m；B為巷道寬度，m；H為致裂平均深度，mΓ為巖柱的平均容重，取25000N/m3

超前支護段的單體柱的支撐力：

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

根據(jù)以上計算結(jié)果，F(xiàn)＜G，即當(dāng)前超前支護段的單體柱支撐力不足以支撐上覆8 m巖柱的全部重量。因此，在試驗時對超前支護致裂段進行補充加強支護，加大單體支柱支護密度。

如果水力致裂區(qū)域每排打4根單體支柱，每1 m打一排。此時單體柱的支撐力：

此時，加強支護后單體柱支撐力足以支撐8m巖柱的全部重量。

2.3 水力致裂應(yīng)注意的問題

1）為保證本次頂板水力致裂的效果，致裂范圍應(yīng)盡量避開工作面及順槽內(nèi)的斷層破碎帶、地質(zhì)鉆孔、錨索孔等區(qū)域。

2）水力致裂前應(yīng)對采空區(qū)和致裂區(qū)域附近的斷層進行有效探放水，同時監(jiān)測致裂期間的瓦斯等有害氣體。

3 致裂效果分析

根據(jù)上述水力致裂設(shè)計方案，在15112工作面切眼及其順槽超前支護段現(xiàn)場管路連接和封孔完成后，開泵進行水力致裂試驗。致裂過程中，時刻觀察泵站壓力變化。

3.1 頂板來壓特征分析

在水力致裂試驗完成后，隨即對工作面進行推進。當(dāng)工作面推進至14.6m時，8#～12#和19#～25#支架處頂板開始垮落；工作面推進至21.5m時，工作面各致裂區(qū)域頂板大面積垮落；當(dāng)工作面推進至27.3m時，工作面后方頂板已基本垮落密實。與相鄰未進行水力致裂的15113工作面相比，15112工作面初次垮落步距減少了23m。另一方面，工作面兩端頭在工作面推進期間也垮落正常，端頭懸頂問題相比相鄰工作面得到明顯改善。初采期間，工作面及順槽內(nèi)瓦斯均未超限。水力致裂有效解決了切眼及端頭頂板大面積懸頂?shù)膯栴}。

3.2 順槽頂板窺視

圖3 鉆孔致裂窺視效果

實施水壓致裂后，利用鉆孔窺視儀對順槽頂板致裂鉆孔孔口段和孔底致裂段分別進行了窺視。如圖3所示，由于孔口段基本未受水壓致裂的影響，其原生裂隙較為明顯。而孔底試驗段產(chǎn)生了多條橫向和徑向裂縫，從而使順槽頂板的整體性和強度得以降低。表明水壓致裂效果明顯。

4 結(jié) 語

1）本次試驗根據(jù)米山煤業(yè)15112工作面的實際情況設(shè)計了合理的堅硬頂板水壓致裂方案，同時加強了順槽內(nèi)的超前支護，并制定了相應(yīng)注意事項，保證水壓致裂安全可靠。

2）水壓致裂后的工作面頂板初次垮落步距為27.3米，推進期間端頭垮落正常。壓裂對解決工作面初放及端頭頂板大面積懸頂難垮問題效果明顯。該水壓致裂方案可在同類地質(zhì)條件礦井推廣并參考使用。