治理特厚煤層孤島工作面強(qiáng)礦壓?jiǎn)栴}的研究實(shí)踐

景 鵬

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)生產(chǎn)技術(shù)部 山西 大同 037003）

1 引言

回采期間發(fā)生強(qiáng)礦壓現(xiàn)象的根源在于垮落帶范圍內(nèi)存在有厚硬巖層，這些厚硬巖層垮落步距大，回采過(guò)程中堅(jiān)硬巖層下部采場(chǎng)覆巖垮落巖石不能充滿采空區(qū)存在自由空間，形成大空間采場(chǎng)，尤其是特厚煤層孤島工作面又因兩順槽相鄰煤柱均采空，垮落過(guò)程中來(lái)壓表現(xiàn)更為強(qiáng)烈，導(dǎo)致臨空順槽超前支護(hù)應(yīng)力集中顯現(xiàn)相對(duì)嚴(yán)重，傳統(tǒng)礦壓治理措施無(wú)法滿足該類工作面正常回采，本文以晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同忻煤礦8102孤島工作面實(shí)施地面鉆井復(fù)合壓裂弱化堅(jiān)硬頂板技術(shù)研究實(shí)踐為背景，取得的實(shí)踐成果對(duì)其他存在堅(jiān)硬頂板下特厚煤層孤島綜放工作面安全回采起到了良好的示范借鑒作用。

2 工作面基本情況

同忻8102孤島工作面位于一盤區(qū)東側(cè)，回采煤層為C3-5#層，煤層厚度平均18.08 m，地面標(biāo)高為1 195.5 m～1 279.8 m，工作面標(biāo)高為786 m～796 m，工作面走向長(zhǎng)度1 516 m，傾斜長(zhǎng)度251 m，東部為實(shí)煤區(qū)，北部為8103工作面采空區(qū)（6 m小煤柱布置），西部為三條盤區(qū)大巷，南部為8101工作面采空區(qū)（6 m小煤柱布置），工作面老頂為中粗粒砂巖，平均厚度為10.32 m、主要成分石英、長(zhǎng)石等。上部對(duì)應(yīng)侏羅系14#層為永定莊礦 8218、8216、8214、8212、8210、8207、8205、8203 工作面采空區(qū)，與該層間距為144 m～159 m。對(duì)應(yīng)侏羅系15#層為永定莊礦8918 工作面采空區(qū)，與該層間距為120 m～130 m，工作面位置如圖1所示。

圖1 工作面位置示意圖

3 同忻8102工作面礦壓分析

同忻8102 孤島工作面（6 m 小煤柱布置），北部為8103工作面采空區(qū)（已于2014年1月回采完畢），目前穩(wěn)定期為6年。南部為8101工作面采空區(qū)（已于2010年6月回采完畢），目前穩(wěn)定期為10年。

同時(shí)針對(duì)同忻一盤區(qū)工作面冒落帶的形成高度，采用大地電磁法對(duì)8105 工作面回采過(guò)程中頂板垮斷情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同觀測(cè)階段時(shí)的工作面上覆巖層特征

3.1 掘進(jìn)期間應(yīng)力顯現(xiàn)情況。

同忻8102工作面，兩順槽分別為5102巷（于2018年6 月開(kāi)口掘進(jìn)）和2102 巷（于2018 年11 月開(kāi)口掘進(jìn)），兩順槽在掘巷過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，2019年8月圈出工作面，巷道整體成型較好，部分過(guò)地質(zhì)構(gòu)造（斷層）地段頂板比較破碎，已加強(qiáng)支護(hù)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)無(wú)頂板離層及巷道位移變形。

3.2 回采期間應(yīng)力分布

8102 工作面在開(kāi)采過(guò)程中受上覆礦界煤柱和14#層采空區(qū)煤柱應(yīng)力、8101 側(cè)向應(yīng)力、8103 側(cè)向應(yīng)力以及自身超前支承壓力等多重應(yīng)力影響，2102巷和5102巷會(huì)發(fā)生變形。

3.2.1 上覆煤柱影響分析

同忻8102孤島工作面上覆存在兩類煤柱，第一類為永定莊礦侏羅系14#層8209 采空區(qū)、8211 采空區(qū)、8213采空區(qū)、8215采空區(qū)、8217采空區(qū)、8219采空區(qū)之間的面間煤柱。第二類為永定莊礦侏羅系14#層三條盤區(qū)大巷煤柱，影響范圍較大。由于上覆大量煤柱的存在，導(dǎo)致工作面部分地段出現(xiàn)應(yīng)力集中，具體煤柱分布情況如下（見(jiàn)圖3）。

圖3 8102工作面與上覆永定莊礦侏羅系層間對(duì)照?qǐng)D

3.2.2 超前支承壓力分析

同忻8102 孤島工作面回采大同礦區(qū)石炭～二疊紀(jì)系C3-5#層，根據(jù)同層位相鄰工作面回采過(guò)程前支承壓力分析，該工作面回采過(guò)程中預(yù)計(jì)超前應(yīng)力影響范圍約為100 m。

3.2.3 側(cè)向應(yīng)力分析

同忻8102工作面兩側(cè)為8101工作面和8103工作面采空區(qū)，均留設(shè)6 m的小煤柱，受8101側(cè)向應(yīng)力以及8103 側(cè)向應(yīng)力集中影響，且8101 和8103 工作面在回采期間未對(duì)與8102工作面相鄰的順槽進(jìn)行退錨，容易在初次來(lái)壓“O-X”型破斷和多次周期來(lái)壓后形成未垮落的三角形懸板，三角形懸板具體分布情況（見(jiàn)圖4）。

圖4 三角型懸板示意圖

8101 和8103 兩順槽存在未垮落的三角形懸板，8102 工作面在開(kāi)采過(guò)程中，受超前和側(cè)向采動(dòng)影響，三角形懸板會(huì)不定時(shí)的滑落和失穩(wěn)，容易造成兩臨空巷出現(xiàn)應(yīng)力顯現(xiàn)和悶墩聲。

3.2.4 綜合分析

綜上所述，同忻8102孤島工作面受多重應(yīng)力的影響，礦壓規(guī)律復(fù)雜，回采難度大，為此開(kāi)展地面鉆井水壓致裂關(guān)鍵層，以破壞老頂完整性，使其充分垮落，降低工作面及兩順槽來(lái)壓強(qiáng)度，解決頂板應(yīng)力顯現(xiàn)明顯問(wèn)題。

4 地面鉆井高位致裂方案

4.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

4.1.1 平面布井依據(jù)

通過(guò)對(duì)同一盤區(qū)8105 工作面回采過(guò)程中礦壓觀測(cè)可知，老頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距約為130.8 m，周期來(lái)壓步距約為18.3 m 左右，并結(jié)合上覆頂板運(yùn)動(dòng)的微震監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，得出特厚煤層回采動(dòng)壓影響范圍為工作面煤壁前方50 m～60 m 范圍，對(duì)上覆頂板影響高度在170 m左右。

8102 工作面傾向長(zhǎng)251 m，如采用地面鉆井高位致裂，一般影響范圍為100 m～150 m左右，從而得出第一個(gè)井部署在距離工作面切眼距離約58 m，并布置工作面中部。

4.1.2 致裂層位

為有效解決同忻礦8102 工作面回采過(guò)程中可能遇到的強(qiáng)礦壓?jiǎn)栴}，本次地面水力壓裂目標(biāo)層應(yīng)為處于工作面垮落帶范圍內(nèi)的厚硬巖層，以達(dá)到弱化頂板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減小頂板垮落步距，降低礦壓顯現(xiàn)程度，消除安全隱患的目的。

基于“巖石碎脹系數(shù)法”計(jì)算特厚煤層綜放工作面垮落帶高度，垮落帶計(jì)算公式為:

其中，M為工作面采厚，η為回采率，Kk為煤、巖綜合碎脹系數(shù)。

8102工作面附近孔顯示煤層平均厚度約為18 m，回采過(guò)程中頂煤全放，因此工作面采厚為18 m，回采率為0.89，巖石碎脹系數(shù)為1.25～1.4，代入垮落帶計(jì)算公式得，垮落帶高度為40.05 m～64.08 m。

根據(jù)收集的資料，8102工作面上覆永定莊侏羅系各可采煤層采空區(qū)，下部14#層到3-5#煤層層間距105 m～185 m。以1508 號(hào)鉆孔柱狀圖為依據(jù)，通過(guò)對(duì)照分析3-5#煤層頂板0～80 m范圍內(nèi)厚硬巖層所處層位，確定地面垂直井壓裂目標(biāo)層位為：

（1）距3-5#煤頂板78.5 m處厚13.7 m的中粒砂巖；

（2）距3-5#煤頂板66.5 m處厚12 m的細(xì)礫巖；

（3）距3-5#煤頂板50.2 m處厚8.53 m的中礫巖。

4.2 設(shè)計(jì)方案

在工作面中部從切眼至停采線位置沿走向方向每間隔200 m 施工一口垂直鉆井，直至3-5#煤層頂板，8102 工作面走向長(zhǎng)1 399 m，共設(shè)計(jì)施工3 個(gè)垂直鉆井，依次編號(hào)為TX1～TX3。（參數(shù)見(jiàn)表1，位置見(jiàn)圖5）

表1 鉆孔位置參數(shù)

圖5 垂直鉆孔施工位置示意圖

4.2.1 井位部署

本方案主要目的是壓裂破壞頂板穩(wěn)定性，同時(shí)為避免對(duì)下部煤層回采產(chǎn)生影響，完鉆層位為3-5#煤上部，不揭露3-5#煤層，完井深度按照3-5#煤底板深度向上約20 m計(jì)算。

4.2.2 壓裂工程

地面鉆井工程施工完畢后，要進(jìn)行壓裂工程施工。

（1）壓裂設(shè)計(jì)思路

為實(shí)現(xiàn)弱化關(guān)鍵層，減弱工作面來(lái)壓強(qiáng)度，同忻礦目標(biāo)層壓裂設(shè)計(jì)思路如下：根據(jù)施工目的要求，設(shè)計(jì)采用水力加砂復(fù)合壓裂的方式進(jìn)行施工。對(duì)關(guān)鍵層采用大排量注入壓裂液進(jìn)行水力壓裂，通過(guò)水力壓裂造縫，來(lái)壓開(kāi)關(guān)鍵層，減少或消除關(guān)鍵層應(yīng)力集中現(xiàn)象。為增強(qiáng)壓裂效果，有助于裂縫延伸，在壓裂施工中考慮加入一定量的細(xì)砂作為支撐劑，一方面利用細(xì)砂可降低液體濾失，提高液體效率；另一方面通過(guò)細(xì)砂對(duì)裂縫壁面的打磨可有效減少?gòu)澢芽p的產(chǎn)生，利于造長(zhǎng)縫。水力噴砂射孔壓裂技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是：1、無(wú)需單獨(dú)射孔，直接噴砂壓裂完成射孔壓裂作業(yè)，射孔、壓裂一次完成；2、施工時(shí)只需下一次管柱，一套工具，可解決多層射孔壓裂作業(yè)；3、施工時(shí)間短。

（2）壓裂過(guò)程重點(diǎn)問(wèn)題解決方案

壓裂施工過(guò)程中，泵注的壓裂液大量地被漏失，并且隨著全裂縫的擴(kuò)展，會(huì)形成眾多的微裂縫，壓裂液的漏失量將越來(lái)越大，當(dāng)漏失量與泵注量平衡時(shí)，主裂縫不再延伸，要使裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，必須增大泵注排量或改變壓裂液的性能，增加泵注排量和降濾是最常采用的方法。

5 地面鉆井高位致裂效果

為進(jìn)一步檢驗(yàn)地面直壓裂效果，對(duì)地面井壓裂過(guò)程中進(jìn)行微地震裂縫監(jiān)測(cè)。

5.1 監(jiān)測(cè)成果

根據(jù)壓裂方案設(shè)計(jì)，從目的層壓裂施工開(kāi)始，打開(kāi)微裂縫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)測(cè)狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)對(duì)微震波進(jìn)行自動(dòng)采集、波形記錄、處理數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)顯示狀態(tài)，目的層壓裂施工結(jié)束，保存數(shù)據(jù)關(guān)機(jī)。

5.1.1 第一層監(jiān)測(cè)成果（層位：47.5 m～55.8 m）：

圖6 TXZL-01井壓裂第一層監(jiān)測(cè)成果

表2 TXZL-01井壓裂第一層監(jiān)測(cè)成果表

裂縫的時(shí)間累積成像以壓裂施工進(jìn)程的1/5時(shí)段間隔成圖，由圖7 可知：東西兩翼裂縫對(duì)稱發(fā)育，裂縫走向基本一致。

圖7 TXZL-01井壓裂第一層裂縫時(shí)間累積成像

5.1.2 第二層監(jiān)測(cè)成果（層位：59.05 m～68.65 m）

裂縫的時(shí)間累積成像以壓裂施工進(jìn)程的1/5時(shí)段間隔成圖，由圖可知：東西兩翼裂縫基本對(duì)稱發(fā)育；裂縫走向一致，西翼遠(yuǎn)端存在非連通性縫網(wǎng)。

5.1.3 第三層監(jiān)測(cè)成果（層位：71.25 m～87.9 m）

裂縫的時(shí)間累積成像以壓裂施工進(jìn)程的1/5時(shí)段間隔成圖，由圖可知：裂縫規(guī)模較小，主要集中在壓裂段附近，向外擴(kuò)展受限；遠(yuǎn)處存在幾處能量集中區(qū)域，無(wú)法確定是否是裂縫延展所致。

5.2 分析結(jié)論

從監(jiān)測(cè)所看：第一層壓裂所形成裂縫最為理想，裂縫走向基本一致；第二層壓裂所形成裂縫規(guī)模次于第一層，所得微震事件個(gè)數(shù)較第一層相差較多，分布較為稀疏；第三層監(jiān)測(cè)效果較差，所得微震事件個(gè)數(shù)偏少，裂縫走向從監(jiān)測(cè)結(jié)果看有受到第一、二層的影響。

6 應(yīng)用效果

由于預(yù)先破壞了工作面初采時(shí)頂板的完整性，縮小了初采時(shí)頂煤的初次垮落步距，頂煤提前回收，同時(shí)減小了頂板懸露面積，縮小了頂板初次垮落和初次來(lái)壓步距，防止或減弱了大面積頂板來(lái)壓隱患來(lái)壓前減小了兩順槽超前壓力，開(kāi)采過(guò)程中，巷道變形量明顯減弱，未受強(qiáng)礦壓影響，并且兩順槽巷道變形減弱，降低了維護(hù)成本和修巷成本，為實(shí)現(xiàn)安全、高效回采創(chuàng)造有利條件。

7 結(jié)論

綜上所述，地面鉆井復(fù)合壓裂弱化堅(jiān)硬頂板技術(shù)，可有效解決特厚煤層孤島工作面回采時(shí)強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)問(wèn)題，降低工作面來(lái)壓顯現(xiàn)強(qiáng)度，緩解臨空順槽超前支護(hù)應(yīng)力集中顯現(xiàn)嚴(yán)重等問(wèn)題。