特厚煤層綜放面初采水壓預(yù)裂弱化頂板現(xiàn)場試驗研究

姚 博，張東海

（鄂爾多斯市國源礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

特厚煤層綜放面初采期間由于堅硬頂板難以自行垮落，在工作面回采過程中，隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)懸頂面積不斷增大，工作面支架阻力也不斷增加，而直接頂冒落矸石不能充滿采空區(qū)，當(dāng)懸頂面積達(dá)到一定范圍時，老頂突然發(fā)生大面積垮落，對支架設(shè)備及人員安全造成危害。為此針對堅硬頂板破斷機(jī)理及控制技術(shù)的研究一直是采礦工作者關(guān)注的重點問題。

傳統(tǒng)處理堅硬頂板的方法是人工爆破強(qiáng)制放頂或頂板軟化[1-2]，人工爆破強(qiáng)制放頂工程量和炸藥量大，成本高，且對于高瓦斯礦井打眼放炮控制頂板有一定的安全隱患。堅硬頂板注水軟化則主要停留在頂板

吸水濕潤軟化的層次。因此，水壓致裂技術(shù)作為一種安全高效的堅硬頂板處理方法被廣泛應(yīng)用。采用水壓預(yù)裂弱化頂板能有效縮短特厚煤層綜放面堅硬頂板的初次垮落步距[3-8]。本文以國源煤礦61601綜放面的生產(chǎn)應(yīng)用為例，分析了水壓預(yù)裂弱化頂板技術(shù)在綜放面初采中的應(yīng)用效果。

1 工作面概況

國源煤礦61601綜放面開采6號煤層，平均厚度為23.83m，煤層傾角0～5.5°；直接頂為深灰色泥巖，平均厚度5.0m，密度為2.40g/cm3；老頂為粗砂巖，平均厚度9.62m，密度為2.68g/cm3；底板為泥巖和砂質(zhì)泥巖。6號煤及其頂?shù)装鍘r層的物理力學(xué)特性見表1，由頂?shù)装鍘r性及其強(qiáng)度來看，61601工作面的老頂屬于堅硬頂板。

61601工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤工藝開采，工作面傾斜長度為254.6m，推進(jìn)長度為615m。工作面采高5.1m，放煤高度18.73m，采放比為1：3.7，循環(huán)進(jìn)度0.865m。

表1 6號煤及其頂?shù)装鍘r層的物理力學(xué)特性

2 綜放面老頂極限跨距的理論預(yù)測

6號煤層的埋深346.1～427.8m，平均387m，按照固支梁力學(xué)模型計算老頂?shù)臉O限跨距[11-12]。

式中，LS為老頂?shù)臉O限跨距，m；h為老頂厚度，m；σt為老頂巖層的抗拉強(qiáng)度，MPa；K為老頂巖層龜裂系數(shù)，取0.6；q為老頂承受的載荷集度。

同時工作面老頂?shù)臉O限跨距受上方巖層的載荷影響，第n層巖層對老頂所產(chǎn)生的載荷為：

式中：（qn）1為第n層巖層對第1層（老頂巖層）巖層的作用載荷，kPa；E1，E2，……En為各巖層的彈性模量，MPa；n為巖層層數(shù)；h1,h2……h(huán)n為各巖層的厚度 m；γ1,γ2……γn為各巖層的體積力，kN/m3。

由式（2）計算61601工作面上覆巖層作用在老頂巖層上的載荷為

(q1)1=γ1h1=222.49kPa

由于(q3)1＜(q2)1，取 q=(q3)1并以(q3)1作為老頂?shù)妮d荷，可得61601綜放面老頂斷裂的極限跨距為：

61601綜放工作面未實施水壓預(yù)裂頂板時，老頂初次極限跨距理論值為61m。

3 預(yù)裂工藝及方法

在工作面安裝之前，開切眼中工作面前方實施水壓預(yù)裂弱化頂板，從而改造頂板巖體結(jié)構(gòu)，使頂板及時垮落、圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移[13-16]。

3.1 預(yù)裂鉆孔高度

根據(jù)61601工作面頂板巖層結(jié)構(gòu)，確定水壓預(yù)裂的主要頂板巖層為9.62m的粗砂巖，則預(yù)裂鉆孔的垂直高度為：

式中：h1為鉆孔孔口上方頂煤厚度，20.33m；h2為直接頂厚度，5.4m；h3為 6上煤層厚度，2.95m；h4為老頂中粒砂巖厚度，9.62m。

3.2 水壓預(yù)裂工藝流程

水力壓裂頂板巖層工藝過程如圖1所示。

1）采用橫向切槽的特殊鉆頭，預(yù)制橫向切槽，如圖(a)所示。

2）利用手動泵為封隔器加壓使膠筒膨脹，達(dá)到封孔目的，如圖（b）。

3）連接高壓泵實施壓裂，如圖（c）。

圖1 水力壓裂頂板巖層工藝示意圖

3.3 鉆孔的長度及仰角

考慮水壓鉆孔施工、鉆孔利用和壓裂效果等因素，確定開切眼中鉆孔的向上仰角（鉆孔與頂板巖層面間的夾角）為50°，位于回風(fēng)順槽和運輸順槽中的鉆孔的仰角也是50°，鉆孔的直徑為56mm，長度為50m。

3.4 鉆孔布置

在61601工作面開切眼正幫煤壁，距底板3.5m布置一排28個鉆孔，編號為1-28號，孔深50m；在61601工作面開切眼采空區(qū)側(cè)頂板處布置了一排13個煤孔鉆孔和8個頂板鉆孔，編號分別為45-57號和33-40號，其中煤孔鉆孔孔深26m，頂板鉆孔孔深50m；在輔運順槽回采幫側(cè)布置29-30號鉆孔，孔深50m，煤壁幫側(cè)布置41-42號頂板鉆孔，孔深50m；在主運順槽回采幫側(cè)布置31-32號鉆孔，煤壁幫側(cè)布置43-44號鉆孔，孔深50m，各鉆孔參數(shù)如表2所示，61601工作面水壓預(yù)裂鉆孔布置圖如圖2所示。

表2 各鉆孔的參數(shù)

圖2 61601工作面水壓預(yù)裂鉆孔布置圖

3.5 鉆孔及封孔方式

1）鉆孔方式。

鉆孔采用全液壓ZDY1200S鉆機(jī)及配套鉆機(jī)平臺，鉆桿為長度1.5m的Φ42mm鉆桿，采用Φ56mm鉆頭。

2）封孔方式。

選用FKss-45/40封孔器進(jìn)行封孔作業(yè)，封孔壓力為12～16MPa，保證各管路連接處密封完好。試壓時加壓到2～5MPa檢查各密封情況，試壓達(dá)到要求后方可投入使用。封孔工藝如圖3所示。

圖3 封孔工藝示意圖

4 水壓預(yù)裂弱化頂板技術(shù)效果的現(xiàn)場實測分析

4.1 頂板水壓預(yù)裂效果分析

通過采用JL-IDOI(C)智能鉆孔三維電視成像儀隨機(jī)對已預(yù)裂頂板孔進(jìn)行成像分析，查看鉆孔內(nèi)裂隙情況，以確定預(yù)裂效果。頂煤、直接頂及老頂水壓預(yù)裂后鉆孔壁情況如如圖 4 中（a）、（b）、（c）所示。

通過水壓致裂弱化頂板的關(guān)鍵主要體現(xiàn)在兩方面：一是通過水壓裂縫的起裂和擴(kuò)展，改造巖體的宏觀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)頂板的滲透性；二是通過高壓水對巖石的物理化學(xué)作用，降低巖石的力學(xué)性能。二者共同作用弱化巖體的力學(xué)性能，降低頂板巖石的整體強(qiáng)度，使頂板及時垮落。水壓致裂過程中檢測到管路的最高水壓為25MPa，每個鉆孔致裂時間平均為50min，注水量平均為6m3。同時觀測到相鄰鉆孔出水量較大，即水壓裂縫擴(kuò)展至相鄰鉆孔。

圖4 水壓預(yù)裂前后鉆孔壁情況

由圖可以看出：實施水壓預(yù)裂后，頂煤、直接頂和老頂鉆孔壁均出現(xiàn)不同程度的裂隙，頂煤鉆孔壁產(chǎn)生縱向裂縫，直接頂鉆孔壁產(chǎn)生橫向裂隙，而老頂鉆孔壁產(chǎn)生橫向、縱向交錯裂隙，且裂隙較大。說明當(dāng)注水壓力達(dá)到煤巖體裂隙結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的極限壓力值時，作為多孔介質(zhì)的煤巖體中的滲流系統(tǒng)被破壞，水在煤巖體中的運動不再是滲流的形式，而是沿煤巖體裂隙做層流運動，如圖4所示。由此可見，水壓預(yù)裂弱化堅硬頂板效果明顯。

4.2 礦壓監(jiān)測

為研究初采水壓預(yù)裂對特厚煤層綜放面堅硬頂板及時垮落的影響，在61601預(yù)裂面初采期間進(jìn)行現(xiàn)場礦壓監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容包括頂煤初次垮落步距、直接頂垮落步距和老頂初次來壓步距等。

61601綜放面實施頂板水壓預(yù)裂后，當(dāng)工作面推進(jìn)到11.5m時，頂煤初次垮落；在工作面推進(jìn)到15.5m位置時，工作面開始放煤；在工作面推進(jìn)到50m時，老頂斷裂，工作面初次來壓。

因此，采用水壓預(yù)裂弱化頂板技術(shù)，61601綜放面老頂初次來壓步距由61m縮短至50m。通過水壓預(yù)裂堅硬頂板施工，基本解決了初采期間堅硬頂板不及時垮落引發(fā)來壓問題，消除了大面積懸頂突然垮落造成設(shè)備和人員的安全隱患。同時提高工作面初采期間煤炭回收率和經(jīng)濟(jì)效率。

5 結(jié) 論

1）通過水壓預(yù)裂頂板鉆孔成像結(jié)果表明，水壓預(yù)裂通過改造堅硬頂板煤巖體整體性結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)，造成煤巖體內(nèi)裂隙擴(kuò)展，從而達(dá)到初采前堅硬頂板預(yù)裂弱化的效果。

2）通過理論分析，當(dāng)預(yù)裂水壓大于煤巖體裂隙結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的極限壓力值時，煤巖體中的滲流系統(tǒng)被破壞，水在煤巖體中的運動不再是滲流的形式，而是沿煤巖體裂隙做層流運動。

3）通過水壓預(yù)裂弱化頂板，使61601綜放面初次來壓步距由61m縮短至50m。初采前對頂板實施水壓預(yù)裂減小了采空區(qū)的懸頂面積，提高了礦井生產(chǎn)的安全，具有良好的實際意義，建議在類似的特厚煤層綜放工作面推廣。