18402軌道巷頂板水力壓裂切頂卸壓技術(shù)研究

（西山煤電股份有限公司西銘礦 山西 030052）

前言

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：“采煤工作面用垮落法管理頂板時(shí)，必須及時(shí)放頂。頂板不垮落、懸頂距離超過(guò)作業(yè)規(guī)程規(guī)定的，必須停止采煤，采取人工強(qiáng)制放頂或者其他措施進(jìn)行處理”。某礦在工作面作業(yè)規(guī)程中規(guī)定：“采空區(qū)采用全部垮落法管理頂板，若機(jī)頭未及時(shí)垮落，懸頂面積小于10m2時(shí)應(yīng)采取措施（加強(qiáng)回收超前段托片），懸頂面積大于10m2時(shí)應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)制放頂，屆時(shí)編制專項(xiàng)安全技術(shù)措施，特殊情況不能強(qiáng)制放頂時(shí)，應(yīng)有加強(qiáng)支護(hù)的可靠措施和礦壓觀測(cè)手段”。目前某礦在2#煤和8#煤工作面回采時(shí)，面臨工作面端頭懸頂面積大，超過(guò)規(guī)程規(guī)定，需要采取人工強(qiáng)制放頂措施進(jìn)行處理。

1.工作面三角區(qū)懸頂原因分析

在不同的支撐條件下，工作表面邊緣的基本屋頂變形和破裂類似于矩形薄板結(jié)構(gòu)，因此邊緣基本上為相鄰的兩個(gè)側(cè)面和另一個(gè)形成了固定的支撐?；⌒稳切螒覓旖Y(jié)構(gòu)形成自由弧形斜邊?？缃訒r(shí)，彎矩在固支邊和自由邊的交點(diǎn)處最大化，從而造成損壞。隨著工作表面的前進(jìn)，懸掛板將規(guī)律斷裂。斷裂始于兩端的最大彎曲力矩，并沿電弧主應(yīng)力線方向延伸。形成大面積吊頂?shù)闹饕蚴?，弧形三角形吊頂結(jié)構(gòu)在最大彎矩處的荷載小于基礎(chǔ)屋頂?shù)钠茐膽?yīng)力，因此基礎(chǔ)屋頂不能規(guī)律地周期性塌陷。發(fā)生此現(xiàn)象的原因是頂板本身的特性不易垮落；第二是錨桿和錨索在車頂上的支撐作用，這是由于錨桿和錨索的強(qiáng)大支撐作用，增加了頂板的強(qiáng)度，回采期間由于工作面端頭在超前支護(hù)及超前支承壓力雙重影響下承載高、結(jié)構(gòu)易變形，導(dǎo)致退錨困難，頂板支撐系統(tǒng)形成的力作用在弧形的三角形懸掛板上，在直接頂板和工作面的基本頂板之間形成相對(duì)緊密的結(jié)合，從而導(dǎo)致工作面兩端頭出現(xiàn)大面積懸頂。

2.工作面端頭懸頂處理措施

目前采取人工強(qiáng)制放頂處理工作端頭懸頂面積大的措施主要有三種：

一是及時(shí)退錨，退錨能夠降低支護(hù)系統(tǒng)對(duì)頂板的控制作用，但在頂板穩(wěn)定時(shí)，即便能夠全部退錨，仍難以達(dá)到目的，某礦目前不僅面臨頂板穩(wěn)定，而且退錨也異常困難。

二是采用深孔爆破法。深孔爆破也是常用的方法之一，技術(shù)相對(duì)成熟，在很多礦區(qū)均有應(yīng)用。但是某礦屬于煤與瓦斯突出礦井，采用爆破方式本身風(fēng)險(xiǎn)較高，而且對(duì)爆破程序要求很高，同時(shí)爆破時(shí)工程量和炸藥量大、安全性差、成本高；一次性引爆的炸藥量大，產(chǎn)生較強(qiáng)震動(dòng)，容易對(duì)工作面設(shè)備有一定沖擊，且容易形成大量有毒氣體，對(duì)人員安全構(gòu)成威脅；在應(yīng)用爆破法控頂時(shí)，需采取有力措施防止瓦斯或煤塵爆炸的措施；爆破往往會(huì)干擾回采工序，同時(shí)采用頂板預(yù)裂爆破必須避開頂板初次來(lái)壓、周期來(lái)壓。

三是針對(duì)爆破法存在的一些不足，需要針對(duì)巷道頂板控制采取新的方法。近年來(lái)，大力發(fā)展煤巖體水力壓裂弱化控制技術(shù)，已經(jīng)在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，礦山生產(chǎn)的安全性也隨之提高，但是水力壓裂采用高壓水施工，對(duì)于技術(shù)要求高，需要專業(yè)隊(duì)伍、專業(yè)設(shè)計(jì)才能達(dá)到頂板處理要求。

3.水力壓裂卸壓技術(shù)

(1)水力壓裂理論

選擇最優(yōu)鉆孔參數(shù)（θAz和θInc），可使裂縫開啟所需壓力為最小值；當(dāng)應(yīng)力場(chǎng)給定，比較主應(yīng)力值的相對(duì)大小，便可確定其應(yīng)力場(chǎng)類型，進(jìn)而確定鉆孔傾斜角和方位角，使裂縫開啟壓力為最小。

(2)常規(guī)壓裂鉆孔布置及參數(shù)

傳統(tǒng)的壓裂鉆孔以單側(cè)和雙側(cè)的方式布置。根據(jù)工作面的長(zhǎng)度和開挖設(shè)備的能力，雙側(cè)壓裂時(shí)頂板會(huì)被均勻削弱，工作面的開挖位置不會(huì)很高，將遵循一般中部垮高大的規(guī)律，封隔器的行進(jìn)距離會(huì)較短，并且施工簡(jiǎn)單。單側(cè)布置鉆孔裝置僅需在凹槽中鉆一個(gè)孔，從而減少了工作量和生產(chǎn)影響。然而，鉆孔相對(duì)較長(zhǎng)，對(duì)孔的直線度有更高的要求，彎曲使封孔器難以向前移動(dòng)，從而使施工變得困難。根據(jù)硬頂?shù)暮穸群蛯拥奈恢?，鉆孔布局可以多層布置。

(3)水力壓裂控頂工藝過(guò)程

頂板鉆孔，按照設(shè)計(jì)角度進(jìn)行鉆孔至指定深度，如圖1（a）所示。

將封孔器推定指定位置、封孔，如圖1（b）。

連接高壓泵實(shí)施壓裂，如圖1（c）。

當(dāng)上一個(gè)階段壓裂完畢后，泄壓，將封孔器后退至下一壓裂位置，封孔，并實(shí)施壓裂，重復(fù)此程序直至本孔壓裂完畢。

圖1 水力壓裂控制堅(jiān)硬頂板巖層示意圖

4.水力壓裂切頂卸壓設(shè)計(jì)

(1)工作面頂板巖性

18402工作面位于8#煤層，8#煤平均厚度約2.51m，局部夾一層炭質(zhì)泥巖，平均約0.39m；煤層整體向南西傾斜，最大傾角8°，最小傾角2°，平均約5°。

18402工作面上部穩(wěn)定的巖層主要是灰?guī)r、粉砂巖和中砂巖，灰?guī)r的平均厚度分別為3.34mm、2.42m和1.48m，距離巷道表面分別為0m、10.87m和17.9m，石灰?guī)r堅(jiān)硬穩(wěn)定，難以垮落。粉砂巖的厚度分別為2.6m、1.85m、2.24m和11.97m，距離巷道表面分別為3.34m、8.89m、14.88m和19.38m，中砂巖的厚度為2.95m。為了降低工作面端頭懸頂問(wèn)題，需要弱化巷道頂板深部巖層的完整性和穩(wěn)定性，為此對(duì)頂板上部的石灰?guī)r、粉砂巖進(jìn)行處理，處理深度需要達(dá)到7#煤頂板中的粉砂巖，粉砂巖頂部距離巷道表面深度為31.35m，設(shè)計(jì)鉆孔的仰角為50°，則可計(jì)算得出施工鉆孔深度為40.9m，施工時(shí)取深度40m。

(2)水力壓裂卸壓參數(shù)

施工順序：采用窺視儀觀察頂板巖層結(jié)構(gòu)→確定壓裂參數(shù)→壓裂鉆孔施工→實(shí)施壓裂→壓裂監(jiān)測(cè)。

具體巷道施工位置根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件調(diào)整。鉆孔參數(shù)根據(jù)頂板巖層厚度、巖性、礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)與范圍，壓裂鉆孔布置如下圖2所示。

圖2 水力壓裂鉆孔布置圖

5.結(jié)語(yǔ)

本文分析了工作面三角區(qū)懸頂原因以及工作面端頭懸頂處理措施，深入探討水力壓裂卸壓技術(shù)，從施工順序和具體施工位置研究可用于不同層位煤層巷道保護(hù)的水力壓裂切頂卸壓設(shè)計(jì)。18402軌道巷頂板水力壓裂切頂卸壓技術(shù)研究切實(shí)解決了工作面端頭懸頂問(wèn)題，切頂后頂板垮落效果好，為實(shí)際工程實(shí)踐提供了可靠見(jiàn)解。