堅硬頂板下工作面初采水壓致裂弱化頂板技術(shù)應(yīng)用

張明亮

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)煤峪口礦，山西 大同 037003）

我國煤礦以地下井工開采為主，頂板事故是影響其安全高效開采主要因素之一[1-2]。我國煤層地質(zhì)賦存條件復(fù)雜，其中賦存堅硬頂板的煤層占據(jù)30%以上，分布的礦區(qū)超過50%，在大同、晉城、通化等地，工作面事故中，冒頂事故占70%～80%。堅硬頂板一次垮落面積大，來壓劇烈，尤其是工作面初采時期，易誘發(fā)動力災(zāi)害[3-4]。堅硬頂板常采用卸壓或頂板弱化的方式，主要方法有深孔爆破和水壓致。深孔爆破炸藥消耗量大，易產(chǎn)生大量有毒有害氣體，不符合綠色礦山的建設(shè)要求，水壓致裂是弱化堅硬頂板的有效控制技術(shù)[5-6]。

1 工程概況

煤峪口礦8701 工作面開采11#煤層，工作面北與盤區(qū)巷道相連，東為實煤體，南和西為11#煤層采空區(qū)。工作面埋深346.6～349.0 m，開采煤層平均傾角4°，屬于近水平煤層，煤層平均厚4.73 m，結(jié)構(gòu)簡單，厚度賦存穩(wěn)定。煤層偽頂巖層為粉砂巖，平均厚1.40 m；直接頂為粗砂巖，平均厚3.20 m，深灰色，含炭質(zhì)，膠結(jié)松軟，普氏系數(shù)在15～16 之間，屬于堅硬頂板；基本頂巖層為互層結(jié)構(gòu)，主要巖性為粉砂巖與細(xì)砂巖，巖層平均厚21.2 m，巖層組織致密，普氏系數(shù)在18 左右。

2 水壓致裂弱化頂板技術(shù)

2.1 基本原理

地下巖層包含多種礦物質(zhì)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其中存在大量的黏土礦物，遇水易出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，在高水壓滲透作用下，巖層結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)出現(xiàn)變化，出現(xiàn)黏結(jié)力降低、巖體強(qiáng)度下降的現(xiàn)象。同時，巖體具有節(jié)理、裂隙的各向非均質(zhì)性，在高壓水作用下，內(nèi)部顆粒之間的摩擦阻力以及巖體破裂面的正壓力不同程度的降低，節(jié)理、裂隙出現(xiàn)延伸擴(kuò)展，進(jìn)一步破壞其整體結(jié)構(gòu)，降低巖體的強(qiáng)度。水壓致裂弱化頂板技術(shù)就是利用高壓水弱化巖體強(qiáng)度的特點，對賦存堅硬的頂板巖層中注入高壓水，在水壓及滲透作用下，破壞巖層的整體結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，致使巖體內(nèi)部的節(jié)理與裂隙發(fā)育擴(kuò)展，降低巖層強(qiáng)度，從而實現(xiàn)對堅硬頂板的弱化[6]。

2.2 水壓致裂弱化頂板技術(shù)

通過在8701 工作面切眼布置一排定向壓裂鉆孔，利用高壓水對頂板進(jìn)行致裂弱化，具體技術(shù)參數(shù)如下：

（1）鉆孔布置

沿切眼布置一排定向壓裂鉆孔，鉆孔與豎直方向的夾角為30°，定向壓裂鉆孔孔間距設(shè)計為15 m，鉆孔長度設(shè)計為15 m，垂直深度15 m，定向壓裂鉆孔距工作面幫0.5 m 施工，鉆孔布置斷面圖如圖1。工作面長度176 m，共布置12 個定向壓裂鉆孔。

圖1 定向壓裂鉆孔布置斷面圖（m）

（2）壓裂參數(shù)與工藝

水壓致裂水壓設(shè)計30～60 MPa，注水壓裂時間設(shè)計10～30 min。根據(jù)現(xiàn)場反饋效果具體優(yōu)化壓裂參數(shù)，具體壓裂工藝如下：

① 安裝調(diào)試，連接注水鋼管將封孔器推送至預(yù)定位置；

② 檢查封孔器保壓情況，確保封孔器正常工作；

③ 在距定向壓裂鉆孔20 m 處進(jìn)行警示工作，壓裂時期20 m 范圍內(nèi)禁止人員進(jìn)入，操作人員、設(shè)備與定向壓裂鉆孔的距離均在20 m 以上；

④ 開啟高壓水泵，先通水、后通電，緩慢加壓，直至預(yù)裂縫開裂，壓力突然下降后，進(jìn)行保壓，促使裂紋繼續(xù)擴(kuò)展；

⑤ 水壓致裂結(jié)束，關(guān)閉高壓水泵，先斷電、后停水，封孔器卸壓。

（3）壓裂施工情況

8701 工作面切眼共布置12 個定向壓裂鉆孔，鉆孔注水時間在10～25 min 之間，最高水壓在28～54 MPa 之間，穩(wěn)定水壓在16～42 MPa 之間。定向壓裂鉆孔水壓致裂施工情況見表1。

表1 定向壓裂鉆孔施工效果

對8701 工作面切眼1#、5#、10#鉆孔的水壓致裂情況進(jìn)行了觀測，水壓致裂裂縫擴(kuò)展影響半徑11～15 m，裂縫擴(kuò)展影響范圍內(nèi)裂隙擴(kuò)展程度較高，表明了水壓致裂施工效果較好。

3 頂板弱化效果分析

8701 工作面初采時期采用水壓致裂弱化頂板技術(shù)，有效弱化了堅硬頂板強(qiáng)度，切斷頂板應(yīng)力傳遞路徑。進(jìn)行的礦山壓力監(jiān)測結(jié)果顯示， 8701 工作面初次來壓步距在23.09～27.39 m 之間，平均步距24.91 m，初次來壓強(qiáng)度在31.05～42.25 MPa 之間，平均強(qiáng)度37.38 MPa，動載系數(shù)1.72。礦壓監(jiān)測結(jié)果見表2。

表2 工作面初次來壓監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)8701 工作面鄰近類似條件工作面礦壓監(jiān)測結(jié)果，圖2 為技術(shù)應(yīng)用前后初次來壓對比圖，其初次來壓平均步距和平均強(qiáng)度為36.38 m、49.12 MPa。采用初采水壓致裂弱化頂板技術(shù)后，其初次來壓步距和強(qiáng)度均有降低，分別減小了31.53%、23.90%，表明水壓致裂弱化頂板技術(shù)有效實現(xiàn)了堅硬頂板弱化，縮短了來壓步距，降低了來壓強(qiáng)度，避免了8701 工作面回采初期出現(xiàn)大面積懸頂，為工作面正常回采提供了安全保障。

圖2 技術(shù)應(yīng)用前后初次來壓對比圖

4 結(jié)論

8701 工作面頂板賦存厚度21.2 m 的堅硬頂板巖層，為防止回采初期堅硬頂板出現(xiàn)大面積懸頂，提出采用初采水壓致裂弱化頂板技術(shù)，并設(shè)計了水壓致裂弱化頂板參數(shù)。采用該技術(shù)后，其初次來壓步距和強(qiáng)度均有降低，分別減小了31.53%、23.90%，表明水壓致裂弱化頂板技術(shù)有效實現(xiàn)了堅硬頂板弱化。