張家峁煤礦水壓致裂初次放頂機理和效果分析研究

李正虎，張軍輝，陳 輝，譚帥杰，溫 晨，孫曉龍，陳 浩

(1.陜煤集團神木張家峁礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719300；2.新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

綜采工作面初采過程中，上方頂板堅硬且厚度大、裂隙不發(fā)育，一般采用全部垮落法處理采空區(qū)頂板，絕大多數(shù)工作面采空區(qū)頂板無法隨工作面回采及時垮落，初次來壓步距增大，當(dāng)工作面推進至頂板承載極限時，頂板發(fā)生斷裂垮落，因懸頂面積巨大而產(chǎn)生的瞬間沖力及颶風(fēng)引起明顯動載現(xiàn)象，極有可能造成工作面人員傷亡及設(shè)備損壞，引發(fā)安全事故，嚴(yán)重威脅正常生產(chǎn)。回采過程中堅硬頂板的垮落控制一直是礦山生產(chǎn)需要迫切解決的難點和重點問題[1-3]。

常規(guī)堅硬頂板處理方法一般采用超前工作面深孔預(yù)裂爆破方法，預(yù)裂爆破能量較大，爆破效果明顯，但也存在明顯的技術(shù)缺點[4]：①成本高，單孔炸藥用量幾十千克甚至上百千克，長期循環(huán)作業(yè)成本高；②作業(yè)風(fēng)險大，爆破瞬間能量巨大，易對爆破區(qū)圍巖造成震動破壞，造成CO局部積聚和有毒有害氣體超限；③對于圍巖破壞性強，爆破過程中能量會對圍巖造成不利破壞，造成工作面煤體失穩(wěn)和巷道頂板破碎，后續(xù)回采時頂板管理難度大；④由于爆破作用的能量釋放特性及采空區(qū)瓦斯積聚的危險性，采空區(qū)已懸頂部分沒有很好的處理措施，只能等待其自由垮落，存在安全隱患；⑤不適應(yīng)于高瓦斯礦井的頂板處理。相比之下頂板水力壓裂技術(shù)具有其技術(shù)優(yōu)點：技術(shù)穩(wěn)定、成熟，工藝安全，經(jīng)濟可靠，尤其在高瓦斯礦井或高瓦斯區(qū)域(采空區(qū)懸頂位置)使用安全系數(shù)高，對圍巖震動破壞小，致裂效果良好。

運用水壓致裂技術(shù)在張家峁煤礦進行井下試驗，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好，為該技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了依據(jù)。

1 工程地質(zhì)條件

張家峁煤礦15209工作面為兩進風(fēng)巷一回風(fēng)巷設(shè)計，工作面回采長度為1915.03m，切眼長度296.95m，回采面積為568668.15m2，設(shè)計開采5-2煤層。工作面煤層整體向西北傾斜，傾角0.8°左右，工作面中部有小型起伏，工作面煤層底板標(biāo)高1107.58～1122.7m，工作面對應(yīng)地表黃土丘陵溝壑區(qū)，地面標(biāo)高為1145～1270m，覆蓋層厚度為18.3～155.4m。

15209工作面范圍內(nèi)的5-2煤賦存較穩(wěn)定，煤層呈黑色，塊狀，煤巖類型為半暗型，斷口參差狀。埋藏深度為18.3～155.4m，煤層的平均厚度為6.10m(煤層間含夾矸)，煤層具有復(fù)合結(jié)構(gòu)，含3層夾矸，巖性均為泥巖，第一層夾矸位于煤層的上部，分布連續(xù)，距離煤層頂板1.7m，夾矸厚度為0.02～0.05m；第二層夾矸位于煤層的中部，分布連續(xù)，夾矸厚度為0.02～0.05m；第三層夾矸位于煤層的中下部，工作面均有分布，距離煤層底板1.25m左右，厚度為0.05～0.25m。綜合分析煤層結(jié)構(gòu)散、裂隙多，煤壁在回采過程中受壓顯現(xiàn)明顯，可以表征水壓致裂技術(shù)在頂板內(nèi)形成裂隙發(fā)育區(qū)的狀態(tài)和效果。

煤層頂板巖層結(jié)構(gòu)致密，裂隙不發(fā)育，工作面5-2煤層無偽頂，工作面直接頂為深灰色的泥巖，塊狀，含植物化石，具水平狀層理，泥質(zhì)膠結(jié)，厚度1.9m。工作面基本頂為灰色粉砂巖，厚層狀，中部夾薄層細(xì)粒砂巖，含黑色礦物，泥質(zhì)膠結(jié)，具微波狀及水平層理，厚25.82m。頂板巖層飽和抗壓強度為11～48.52MPa，平均抗壓強度29.88MPa，屬不穩(wěn)定～較穩(wěn)定型(Ⅰ～Ⅱ)頂板。工作面煤層及頂?shù)装宓拿簬r柱狀如圖1所示。

圖1 5-2煤層綜合地質(zhì)柱狀圖

2 工作面頂板初次垮落機理分析

自工作面回采開始，工作面后方頂板懸露面積隨回采進程不斷擴大，偽頂或直接頂局部垮落充填部分采空區(qū)，基本頂或老頂結(jié)構(gòu)性完好，呈整體結(jié)構(gòu)橫跨在兩回采巷道煤壁、切眼處煤壁和工作面前方煤壁及支架上，形成四邊固支板梁構(gòu)件體。當(dāng)板梁跨度隨工作面推進增大到頂板承載極限時，頂板由于自重及上覆巖層的作用而發(fā)生垮落。采空區(qū)頂板初次垮落可能導(dǎo)致工作面頂板下沉量和下沉速度急增，頂板破碎，甚至出現(xiàn)與煤壁平行的裂隙，有時發(fā)生巨大的斷裂聲，支架受力急劇增大，采空區(qū)局部冒頂，煤壁嚴(yán)重片幫。初次來壓時，工作面要采取安全措施，如：沿放頂線加強支護(加強支護密度、增加錨桿索支護、注意人員、設(shè)備避讓)，強制放頂?shù)?。工作面頂板初次垮落情況如圖2所示。

圖2 工作面頂板初次垮落示意圖

依據(jù)15209工作面推進過程中的實際情況，由堅硬頂板巖層破斷規(guī)律[3]可知，基本頂厚度較大，在采空區(qū)懸頂過程中，相當(dāng)于四邊固支條件下的板梁結(jié)構(gòu)體，如圖3所示，如圖中工作面推進方向，在傾向上的頂板中間區(qū)域最先超過極限彎矩而發(fā)育成裂隙[5]，即圖中矩形框選部分為最先產(chǎn)生裂隙區(qū)域，即開切眼位置頂板預(yù)先產(chǎn)生裂隙，所以縮短初次垮落步距的重要因素是切眼部位的頂板巖層的破碎程度，切眼處頂板的致裂鉆孔施工及其水力壓裂質(zhì)量對工作面頂板初次垮落具有直接影響，對于維護工作面安全生產(chǎn)具有極為重要的意義。

圖3 采空區(qū)頂板四邊固支破壞示意圖

結(jié)合礦山實際地質(zhì)條件及相鄰工作面施工結(jié)果反饋，在此基礎(chǔ)上對水壓致裂鉆孔的施工技術(shù)、致裂效果和監(jiān)測方案進行優(yōu)化、改進，以期得到更好的放頂效果。

3 現(xiàn)場施工及技術(shù)方案驗證

水力壓裂是利用特定的施工技術(shù)破裂頂板巖層，釋放頂板壓力，減輕頂板來壓強度[6]。根據(jù)工作面切眼布置和后期回采方向，需在切眼橫截面處沿走向方向布置全斷面水力壓裂孔，通過水壓致裂，生成鉆孔壓裂擴散區(qū)域并貫通各鉆孔之間產(chǎn)生的裂隙，破壞切眼處頂板巖層的整體結(jié)構(gòu)性，盡量擴大圖3矩形區(qū)域標(biāo)示處的裂隙范圍，隨工作面生產(chǎn)推進，形成固支結(jié)構(gòu)的整體裂隙貫通，實現(xiàn)初次來壓時的頂板破斷，頂板初次垮落應(yīng)盡早發(fā)生，垮落步距越小越好。

試驗地點為張家峁煤礦15209 工作面回采巷道，主要目的是強制放頂，驗證頂板水力壓裂方案可行性。在切眼空間內(nèi)布置致裂鉆孔A和致裂鉆孔B，鉆孔A(A1—A17)、B(B1—B16)水平投影與工作面回采方向一致，交替布置，在兩回采巷道內(nèi)分別布置壓裂鉆孔A(A18—A21共4個)，A19、A21與巷道軸向夾角為30°，A18、A20垂直煤壁布置，在兩回采巷道內(nèi)分別布置壓裂鉆孔D(D1—D2，共2個)，鉆孔D與巷道軸向的夾角為30°，在兩回采巷道內(nèi)分別布置反向壓裂鉆孔E(E1—E2，共2個)，反向壓裂鉆孔F(F1—F2，共2個)，鉆孔E、F與巷道軸向的夾角為5°；鉆孔A開口位置距離底板4.0m，鉆孔B開口位置距離底板3.0m，鉆孔D、E開口位置距離底板2.8m處；鉆孔總計43個，進尺總計：777m(21個A孔)+608m(16個B孔)+88m(2個D孔)+88m(2個E孔)+88m(2個F孔)=1649m；施工過程中首先進行鉆孔A、B、E及F的壓裂施工，鉆孔D是在工作面回采過程中，頂板垮落困難時的備用壓裂鉆孔。具體施工鉆孔參數(shù)見表1。

表1 水壓致裂孔施工參數(shù)

在工作面上方巖層中布設(shè)鉆孔，在孔內(nèi)設(shè)計壓裂位置橫向切割巖體，對切槽部位進行封孔，利用高壓水注入方式進行壓裂[7]。根據(jù)水力壓裂理論、最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則及15209工作面切眼頂板巖層特性及開采高度，確定壓裂鉆孔空間布置如圖4所示，鉆孔采用56mm鉆頭，42mm鉆桿鉆進，在三維空間內(nèi)形成鉆孔壓裂半徑的整體貫通。各類型鉆孔剖面設(shè)計如圖5所示。

圖4 鉆孔布置三維示意圖

圖5 各類型鉆孔剖面設(shè)計

根據(jù)固支結(jié)構(gòu)破壞原理可知，沿傾斜方向切眼上方巖體中部最先產(chǎn)生裂隙并垮落，所以在工作面中部頂板中按常規(guī)方式布孔即可，鉆孔投影垂直煤壁走向，A、B類型鉆孔交替布置在圍巖的不同標(biāo)高處。

工作面端頭頂板垮落難度大，采用加密布孔(DEF鉆孔)方式，通過鉆孔三維數(shù)據(jù)驗算和鉆孔位置立體圖擺放檢驗，形成鉆孔群，如圖4所示，從空間上對頂板巖體進行交叉破碎，相鄰鉆孔裂隙半徑貫通，切斷工作面上方頂板與四周圍巖的聯(lián)系[8]，工作面回采至頂板承載極限時，頂板發(fā)生初次垮落，且由于煤層強度普遍較低，水壓致裂之技術(shù)相比爆破施工對煤體造成的震動破壞小，有利于回采工作面穩(wěn)定[9]。

為監(jiān)測水壓裂縫擴展范圍，首先選擇在4#孔注水致裂，周圍其他孔作為觀測孔，記錄壓裂過程中頂板裂隙滲水情況。然后依次壓裂其余各孔，壓裂過程中，控制箱會自動采集記錄壓力、流量和時間等數(shù)據(jù)。水力致裂施工過程主要涉及以下要素：

1)壓裂壓力：根據(jù)彈性理論，張家峁頂板條件及15207綜采工作面初采初放水力壓裂經(jīng)驗，估算15209工作面壓裂壓力為11～23MPa。

2)壓裂次數(shù)：根據(jù)工作面上方巖層的結(jié)構(gòu)和厚度確定致裂次數(shù)，從鉆孔底部依次向孔口壓裂，壓裂間隔5m左右，具體根據(jù)鉆孔窺視結(jié)果和頂板裂隙滲水情況而定，壓裂最終位置為煤層頂板上方5m處。

3)壓裂時間：根據(jù)周圍鉆孔出水情況及壓裂曲線確定，當(dāng)壓裂壓力顯著降低或出水量突然增大時(約為80L/min)，停止壓裂作業(yè)，單次壓裂平均時間為20～30min。

當(dāng)工作面頂板出現(xiàn)較難垮落的情況時，對備用D孔實施水力壓裂，進一步破壞端頭上方巖層，解除端頭區(qū)域圍巖對工作面上方頂板的約束作用。

4 實驗數(shù)據(jù)分析及方案實施效果

施工過程中主要通過以下手段驗證壓裂效果：通過觀測壓裂孔附近已施工鉆孔出水情況。如周圍孔有滲水現(xiàn)象，可大概確定裂隙產(chǎn)生范圍。根據(jù)頂幫現(xiàn)場觀測效果可知，致裂區(qū)頂板周圍有明顯滲水現(xiàn)象，說明頂板巖層內(nèi)已產(chǎn)生裂隙，巖體完整性已被破壞；頂板及巷道兩幫未見明顯變形，說明圍巖壓力釋放充分，水力致裂效果較好。

通過煤壁片幫程度、支架壓力在線監(jiān)測和巷道圍巖位移等礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，評價水力壓裂技術(shù)破碎頂板的效果。

水壓致裂前后煤壁片冒塊度及次數(shù)曲線如圖6所示，由圖6可知，水壓致裂后，工作面頂板及煤壁壓力得到充分釋放，片幫的塊度和次數(shù)有明顯下降幅度，達到了安全生產(chǎn)的預(yù)期目的。

圖6 水壓致裂前后煤壁片冒塊度及次數(shù)曲線

圖7 工作面來壓期間壓力顯現(xiàn)

工作面來壓期間壓力顯現(xiàn)如圖7所示，根據(jù)圖7工作面頂板壓力在線監(jiān)測1#分站(端頭位置)曲線可看出來壓期間工作面支架壓力表現(xiàn)平穩(wěn)，工作面初次來壓持續(xù)8h，最大來壓強度達47MPa，其余階段來壓平穩(wěn)，說明工作面頂板整體緩慢下沉，采空區(qū)頂板垮落充分且充填較好。

15209工作面支架壓力在線監(jiān)測結(jié)果如圖8所示，由圖8可知，老頂初次來壓期間支架立柱安全閥共開啟8臺，開啟率4.5%，動載系數(shù)1.6，滿足安全生產(chǎn)需要。

圖8 15209工作面支架壓力在線監(jiān)測圖

工作面頂板下沉速率變化圖及兩幫收斂速率變化如圖9、圖10所示，由圖8、圖9可知，水壓致裂后，頂板平均下沉速率趨近平穩(wěn)。兩幫收斂速率趨近平穩(wěn)。頂板最大沉降量為15.70mm，最大沉降速率為6.51mm/d；兩幫最大相對收斂量為22.41mm，最大收斂速率為6.52mm/d，達到釋放壓力、穩(wěn)定頂板的預(yù)期效果。

圖9 工作面回風(fēng)巷斷面頂板下沉速率變化曲線

圖10 工作面回風(fēng)巷斷面兩幫收斂速率變化圖

5 結(jié) 論

1)張家峁煤礦15209工作面頂板裂隙發(fā)育不完全，頂板較難垮落將對煤壁、巷道頂幫及工作面安全造成嚴(yán)重影響，必須有針對性的進行強制放頂。

2)采空區(qū)頂板在回采過程中分階段緩慢垮落，未出現(xiàn)壓力高峰沖擊，在機頭推采至68m，機尾推采至61m時，老頂初次垮落完成，工作面煤壁、巷道頂幫破壞輕微，無明顯壓力顯現(xiàn)，表征水力壓裂效果良好。

3)老頂初次來壓期間支架立柱安全閥開啟壓力47.75MPa，開啟率4.5%(8臺)，動載系數(shù)1.6，滿足安全生產(chǎn)需要。鉆孔布置間隔7m，放頂效果良好，后期可以適當(dāng)放大排距，縮短致裂作業(yè)時間，提高生產(chǎn)效率。

4)通過分析煤層、頂板特性，利用三維鉆孔布設(shè)優(yōu)化對頂板進行水壓致裂，釋放頂板壓力，緩和頂板初次垮落時的來壓顯現(xiàn)，對工作面壓力進行全過程監(jiān)測、分析和預(yù)測，加強采面頂板管理，保證生產(chǎn)順利進行。