綜采工作面堅硬頂板處理方式的選擇

王建勝

（晉城金成礦建有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006）

為解決綜采工作面回采期間堅硬頂板難垮性問題，采用定向水力壓裂技術(shù)，實現(xiàn)綜采工作面堅硬頂板周期垮落。綜采工作面實施定向水力壓裂技術(shù)，高壓水切破完整頂板時，高壓水能充分濕潤頂部巖石，達(dá)到頂板垮落時巖塵、煤塵濃度最低目的。對比傳統(tǒng)的爆破預(yù)裂頂板技術(shù)，定向水力壓力技術(shù)生產(chǎn)成本低；防控采空區(qū)煤塵自燃效果好。據(jù)統(tǒng)計我國煤層賦存條件相對復(fù)雜，部分頂板屬于堅硬頂板。科學(xué)控制綜采工作面堅硬頂板垮落，將直接影響煤礦的安全生產(chǎn)，影響煤礦智能化發(fā)展的進(jìn)程。

1 背景

王臺鋪煤礦位于山西省晉城市北部約15km，XV號煤成為礦井后期的主采煤層，水文地質(zhì)條件為復(fù)雜性，瓦斯等級為低瓦斯，煤層具有自燃性傾向，煤塵無爆炸性，開拓方式為斜井開拓。采煤方法為走向長壁式綜合采煤法，采高為一次采全高。XV號煤頂板為石灰?guī)r頂板，屬于典型的強度高、整體性好、自穩(wěn)能力強的頂板，在開采時，頂板大面積來壓對支架沖擊較大，初次來壓和周期來壓步距較大，礦壓顯現(xiàn)明顯。

2 XV號煤頂板巖性特征

根據(jù)《王臺鋪煤礦15號煤開采頂板管理技術(shù)研究——頂?shù)装寮懊簩訋r性分析報告》可知，XV 號煤層直接頂為K1石灰?guī)r，厚度7.42～10.99m，平均9.32m，致密堅硬，節(jié)理裂隙發(fā)育，在井田內(nèi)該層比較穩(wěn)定，單向抗壓強度平均127.57MPa，單向抗拉強度平均8.16MPa；抗剪切強度平均15.81MPa，頂板堅硬，在開采時對支架沖擊較大，且初次來壓、周期來壓步距均較大，礦壓顯現(xiàn)嚴(yán)重。

3 綜采頂板處理高度計算

在保證頂板冒落能對采空區(qū)完全充滿，在工作面采高1.93m 的既定條件下，爆破的有效放頂深度H至少為：

H=M(KP-1)

式中：M——采高，取1.93m；

KP——巖石破碎體積膨脹系數(shù)，取1.3。

計算得，H=1.93/(1.3-1)=6.4(m)。

因此，確定工作面頂板處理范圍，為沿工作面直接頂以上10m的垂直范圍。

4 綜采工作面頂板處理方案

依據(jù)綜采工作面頂板巖性特征及計算垮落控制高度，必須采取人工強制破直接頂方式，處理綜采工作面回采期間的頂板垮落，達(dá)到綜采工作面直接頂隨采隨垮，及時充滿采空區(qū)，確?；夭砂踩娭破祈?shù)姆绞剑撼Ｓ玫钠祈敺绞綖榇蚩?、火藥爆破預(yù)裂，達(dá)到強制破頂目的。另外一種為新型頂板控制技術(shù)：打孔，水力切割對頂板進(jìn)行壓裂，達(dá)到強制破頂目的。

5 預(yù)裂爆破的特點

XV2309工作面，180m切眼初次預(yù)裂，需要施工32個炮孔，炮孔總長度為600m。爆破時，需要煤礦許用2號乳化炸藥1224kg，?5.2mm導(dǎo)爆索總用量為1300m，共使用64 發(fā)雷管。爆破材料總費用9719 元。投入人工84個工。工作面每推進(jìn)30m兩巷共施工16個炮孔,炮孔總長度為426m。爆破時，煤礦許用2 號乳化炸藥需834kg，?5.2mm 導(dǎo)爆索總用量為450m，共使用32發(fā)雷管。爆破材料費用總計5400元。

預(yù)裂爆破處理頂板的缺點：深孔預(yù)裂爆破時，需要綜采工作面停止生產(chǎn)，撤人到警戒線外，影響綜采工作面正常的生產(chǎn)組織。深孔爆破時會產(chǎn)生大量的炮煙，爆破后通風(fēng)排煙時間較長，需要35min，同時伴隨大量的一氧化碳產(chǎn)生，引發(fā)一氧化碳超限、報警。綜采工作面推進(jìn)至地面建筑物保護(hù)煤柱附近時，由于王臺鋪煤礦井田內(nèi)蓋山厚度薄，僅為85～175m。爆破產(chǎn)生的振動對地面建筑物的破壞顯著，造成了不良的社會效應(yīng)。

6 水力壓裂

所謂水力壓裂，是指利用專用的開鑿鉆頭在普通頂板鉆孔中形成預(yù)裂縫，并對橫向切槽段進(jìn)行封孔，把高壓水注入其中，利用高壓水的水壓使裂縫擴(kuò)展并延伸，通過高壓水力的作用把完整的定板分割成多塊，由一次垮落變?yōu)橹饓K垮落，從而確?；夭傻陌踩禂?shù)。這種技術(shù)在天然氣開采、石油開采、地?zé)豳Y源開發(fā)等領(lǐng)域均有應(yīng)用，用途較廣，效果較好[1]。該工藝實施過程中操作簡單，安全管理難度低，壓裂過程中產(chǎn)生煤塵、煙塵較低等優(yōu)點。

6.1 水力壓裂控頂工藝

在設(shè)計預(yù)裂位置，用普通鉆頭進(jìn)行鉆孔，進(jìn)入堅硬巖層后要停止鉆進(jìn)，直徑以56mm 為宜，根據(jù)巖層硬度、厚度、工作面長度來確定鉆孔角度及鉆孔長度。將普通鉆頭改為特種鉆頭（可以劃出有橫向裂縫的鉆頭），退出特種鉆頭，再繼續(xù)使用普通鉆頭鉆進(jìn)一段距離，讓壓裂封孔具備有一定的空間。接著把垮時膨脹型鉆孔封隔器和注水管都推到水力壓裂段中。接著用手動泵加壓至膠筒膨脹，達(dá)到封孔目的。然后將高壓泵與注水管連接成一體，并啟動高壓泵，直到整個壓裂完成[2]。

6.2 XV1306工作面頂板定向水力壓裂方案

XV1306工作面基本及巖性特征。XV1306工作面走向長度1515.4m，傾向長度為180m，煤層傾角1°～8°，平均為4°，煤層厚度平均2.55m，變異系數(shù)為26%，可采指數(shù)為1。

采用鉆孔觸探測定XV1306 工作面頂板巖層演示強度，通過對多個鉆孔進(jìn)行強度測試，巖石單軸抗壓強度與觸探儀臨界破壞壓力近似呈線性相關(guān)關(guān)系[3]，可用下式描述：

RC=K1+K2Pm

式中：RC——巖體單軸抗壓強度，MPa；

Pm——臨界破壞壓力，MPa；

K1、K2——系數(shù)。

因此，采用鉆孔觸探法進(jìn)行XV1306工作面頂板圍巖強度的測試，測試結(jié)果為巖體的單軸抗壓強度約為100MPa。

切眼水力壓裂孔布置：XV1306工作面切眼，朝工作面推進(jìn)方向布置鉆孔，鉆孔間距一般為20～25m，鉆孔長度為50m，仰角為10°，鉆孔采用直徑56mm；另外一側(cè)背對推進(jìn)方向布置鉆孔，鉆孔間距一般20～25m，鉆孔長度20m，仰角為30°。圖1 為一切眼鉆孔示意圖。鉆孔與工作面切眼相垂直，鉆孔的長度為50m，其仰角為10°。使用直徑為?56mm 進(jìn)行鉆進(jìn)，鉆孔之間的間距控制在20m。

圖1 一切眼鉆孔示意圖

XV1306工作面第二切眼傾向長度為180m。鉆孔間距及鉆孔與工作面角度布置如圖2所示，鉆孔長度為50m，仰角12°鉆孔間距20～30m。

圖2 第二切眼水力壓裂孔布置圖

兩順槽壓裂孔布置：XV1306工作面回采超前預(yù)裂孔，沿運輸順槽和回風(fēng)順槽布置如圖3所示，鉆孔長度為50m，孔間距為25m，鉆孔仰角為12°，鉆孔水平投影與巷道夾角為65°，鉆孔采用直徑為56mm 的鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)(第一切眼與第二切眼之間回采時，順槽鉆孔沿回風(fēng)巷單側(cè)布置，技術(shù)參數(shù)不變)。

圖3 兩順槽鉆孔布置示意圖

鉆孔開槽：鉆孔長度為50m 時，利用KZ54 開槽鉆頭分別在15m、20m、30m，45m、48m 處開槽，48m 處開槽后繼續(xù)鉆進(jìn)至50m；鉆孔長度為70m 時，利用KZ54開槽鉆頭分別在15m、20m、30m、45m、50m、60m、68m處開槽，68m開槽后鉆孔進(jìn)行鉆進(jìn)至75m，開槽結(jié)束后采用靜壓水沖孔，用窺視儀觀察開槽效果。水力壓裂：鉆孔及開槽工藝結(jié)束后，采用倒退式壓裂法，如：70m鉆孔，由68m 處開始壓裂第一道開槽，然后依次壓裂60m、50m、40m、30m、20m、10m處開槽。

封孔器的安裝：對組裝封孔器，接好水管后排氣，確認(rèn)無問題后進(jìn)行試壓檢查，確保其能夠正常運作，將高壓泵、儲能器接好。對高壓水泵進(jìn)行調(diào)試，水泵進(jìn)水口接地面引入井下的靜壓水，在出水口位置接通90MPa的高壓管，在高壓管的另一邊接注水鋼管，并在高壓膠管與注水鋼管之間接水壓儀表，特別注意水壓表兩端的連接必須可靠。

高壓泵加壓封孔器，當(dāng)壓力升至8～18MPa后就停止，對鉆孔口及周邊頂幫情況進(jìn)行觀察，并對壓力表壓力變化進(jìn)行觀察記錄，對封孔器能否保壓進(jìn)行檢驗，若鉆孔內(nèi)無水流出或壓力不下降，說明封孔正常。在壓裂孔周圍85m處拉警戒線，嚴(yán)禁無關(guān)人員進(jìn)入警戒區(qū)，操作人員必須在壓裂孔附近15m以外的安全地點進(jìn)行安全操作。

水力壓裂主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)：定向水力壓裂XV1306工作面頂板切實可行，每個定向水力壓裂孔對頂板的處理范圍，水平方向為20m，垂直方向大于K1石灰?guī)r的厚度，降低堅硬頂板控制成本約30%，切眼初次預(yù)裂成本為6750 元，每推進(jìn)30m，順槽預(yù)裂成本為3720元。XV1306工作面初次垮落步距小于32m，周期來壓步距小于11m。通過礦壓在線監(jiān)測，工作面液壓支架平均工作阻力在4000～5000kN之間[3]。完全能夠滿足綜采工作面設(shè)計要求。

7 水力壓裂工藝與傳統(tǒng)預(yù)裂爆破工藝比較

設(shè)定預(yù)裂爆破工藝方案為A 方案；水力壓裂工藝方案為B方案；工藝優(yōu)劣比較見表1。

表1 工藝優(yōu)劣比較表

8 結(jié)論

通過研究發(fā)現(xiàn)水力壓裂工藝具有以下特點：①施工作業(yè)時安全管理難度低；②水力預(yù)裂操作時人員經(jīng)過簡單培訓(xùn)，就能單獨上崗作業(yè)，不需要特種作業(yè)培訓(xùn)；③預(yù)裂過程中產(chǎn)生大的粉塵影響小，產(chǎn)生的有毒有害氣體少，對井下作業(yè)環(huán)境影響??；④水力壓力施工成本與爆破預(yù)裂成本比較具有成本低的優(yōu)勢。

9 研究展望

我國堅硬難垮頂板礦井的分布十分廣泛，大都采用爆破技術(shù)控制頂板的垮落，爆破技術(shù)存在安全性差、成本高、施工困難等缺點。定向水力壓裂技術(shù)取代爆破技術(shù)處理堅硬難垮頂板，使堅硬頂板控制垮落的精準(zhǔn)問題得到了更加科學(xué)的方法，同時壓裂時注入水或定向水力壓裂水，在回采期間能有效降低巖塵、煤塵。煤層吸水后硬度軟化降低還能降低采煤機截齒噸煤消耗量節(jié)約生產(chǎn)成本。壓裂水逐步滲入采空區(qū)，防控采空區(qū)煤塵自燃具有積極的意義，是一項綠色環(huán)?？刂茍杂岔敯寮夹g(shù)。