“三硬”煤層條件下水壓致裂卸壓防沖效果分析

張凱華

（山西大平煤業(yè)有限公司，山西長治046200）

賦存在“三硬”條件的煤層在開采過程中，回采空間煤巖體易儲存大量彈性能，在上覆巖層破斷影響下，極易出現(xiàn)彈性能的大量短時間釋放，對回采空間形成大范圍的破壞，容易誘發(fā)沖擊地壓。預(yù)先弱化頂板是防治頂板動力災(zāi)害發(fā)生的主要手段，其原理是在堅硬頂板中預(yù)制出微裂隙，在上覆巖層壓力作用下，巖層中預(yù)制裂隙發(fā)生擴展、貫通，促進堅硬巖層垮落，減弱大面積懸頂突然垮落產(chǎn)生的彈性勢能釋放。本文主要介紹了頂板水壓致裂技術(shù)的工程應(yīng)用及效果分析，并與深孔斷頂爆破技術(shù)進行對比。

1 水壓致裂技術(shù)簡介

頂板水壓致裂技術(shù)是在堅硬巖層中預(yù)制定向裂縫，如圖1所示。在較短的時間內(nèi)，采用高壓水作用于裂縫，使預(yù)制裂縫發(fā)生擴展，與巖層中原生裂隙發(fā)生貫通，弱化堅硬巖層整體性，使其在外力作用下更容易破斷垮落，從而達到防治沖擊地壓的目的。

圖1 頂板水力壓裂原理圖

2 水壓致裂現(xiàn)場工程應(yīng)用

2.1 工作面情況

3111工作面位于一采區(qū)北翼中部，如圖2所示，東側(cè)為3109工作面采空區(qū)，西部為未開采區(qū)域，南部為三盤區(qū)大巷保護煤柱，北部為未開采區(qū)域。工作面主采3-1煤層，平均埋深480～530m，平均煤層厚度5.56m，煤層傾角0°～3°，平均1.5°。工作面最大瓦斯涌出量為25.11m3/min。

工作面切眼及兩回采巷道均采用錨網(wǎng)索支護，工作面直接頂為平均厚度8.12m的砂質(zhì)泥巖，上覆厚度為10.69m與31.03m的細粒砂巖與中粒砂巖，強度較大、完整性好，不易垮落，如不采取弱化措施，工作面推采期間易發(fā)生強烈的礦壓顯現(xiàn)，影響工作面回采安全。

圖2 3111工作面相對位置圖

2.2 水壓致裂施工參數(shù)

垮落帶巖層厚度是垮落碎脹后能充滿采空區(qū)自由空間的巖層總厚度。根據(jù)3111工作面運輸順槽頂板巖層賦存條件，設(shè)計鉆孔致裂層位如圖3所示。致裂鉆孔傾角為50°，孔深為41m，致裂深度分別為7m、27m和41m，保證其中上覆巖層自重產(chǎn)生的拉應(yīng)力作用下發(fā)生破斷。根據(jù)現(xiàn)場工程試驗及相關(guān)工程經(jīng)驗，確定鉆孔直徑48mm，鉆孔間距為12m。

3 頂板水壓致裂效果檢驗方法

水壓致裂斷頂卸壓效果可采用以下5種方法進行檢驗：

（1）相鄰觀測孔檢驗：相隔一定距離平行于致裂孔施工一觀測孔，通常設(shè)計觀測孔深度較壓裂孔深5m，通過觀察壓裂過程中，觀測孔內(nèi)是否有壓裂液流出來判斷卸壓效果。

（2）壓裂孔窺視：通過鉆孔電視設(shè)備，對壓裂孔致裂前后壓裂位置孔壁裂隙的發(fā)育情況進行對比，分析壓裂位置裂隙發(fā)育情況。

（3）隨壓過程動力現(xiàn)象分析：水壓致裂區(qū)域一般為應(yīng)力集中區(qū)域，該區(qū)域巖體已儲存大量彈性能，在高壓液體作用下，巖石發(fā)生破裂的同時還會伴隨動力現(xiàn)象，如巖石破裂的劈裂聲；同時致裂會影響該區(qū)域煤炮的強度和頻率。

（4）監(jiān)測數(shù)據(jù)分析：通過對比分析采取水壓致裂和未采取水壓致裂區(qū)域的微震、應(yīng)力等參量變化情況，分析、判斷頂板水壓致裂效果。

（5）現(xiàn)場礦壓顯現(xiàn)對比：通過對比工作面在致裂斷頂區(qū)域與未進行致裂斷頂區(qū)域推采期間的動壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，分析斷頂預(yù)裂效果。

圖3 水壓致裂方案設(shè)計圖

4 微震數(shù)據(jù)分析

（1）微震數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。對3111工作面在未斷頂、爆破斷頂、水壓致裂斷頂?shù)炔煌瑓^(qū)域推采期間不同能級微震事件進行統(tǒng)計，如表1、圖4所示。

表1 3111工作面不同斷頂區(qū)域微震事件統(tǒng)計表

由表1、圖4可以看出，未斷頂、爆破斷頂、水壓致裂斷頂三個區(qū)域，小能量微震事件依次增多，102J以上微震事件依次減少，表明工作面在頂板水力壓裂區(qū)域推采期間，微震活動以102J以下小能量微震事件為主，能量得以分解、均勻釋放，發(fā)生大能量微震事件的危險性顯著降低。

（2）微震應(yīng)力云圖分析。通過3111工作面在不同斷頂區(qū)域發(fā)生的微震事件，反演得出微震應(yīng)力云圖如圖5所示。

通過對比3111回風順槽水壓致裂區(qū)域與爆破斷頂區(qū)域的微震云圖，與爆破頂板相對比，3111工作面在水壓致裂區(qū)域推采期間，微震活動明顯減弱，主要以小能量微震事件為主，且回風順槽趨于平穩(wěn)，巷道變形量也明顯減小，表明頂板水壓致裂起到了更好的斷頂效果。

圖4 3111工作面不同斷頂區(qū)域微震事件統(tǒng)計柱狀圖

4 結(jié)論

（1）頂板水壓致裂在“三硬”煤層條件下頂板治理中效果良好，在一定程度上要好于爆破斷頂。

圖5 3111回風順槽不同斷頂區(qū)域微震應(yīng)力云圖

（2）頂板水壓致裂對于砂巖層致裂壓力約為25MPa，致裂橫向裂隙發(fā)育范圍超過15m，縱向裂隙發(fā)育范圍超過9m，且頂板裂隙中充滿水后，可以長時間浸潤、弱化頂板。

（3）工作面在頂板水壓致裂區(qū)域推采期間，102J以下小能量微震事件顯著增加，大能量微震事件明顯減少，表明微震活動以微裂隙發(fā)育為主，頂板預(yù)裂效果良好。