厚硬頂板下工作面定向水力壓裂頂板弱化技術(shù)試驗(yàn)

楊貴棟

(晉能控股集團(tuán) 煤峪口礦技術(shù)部，山西 大同 037003)

我國(guó)煤礦開(kāi)采存在五大災(zāi)害，具體包括瓦斯、煤塵、水、火和頂板等，其中頂板事故居各類(lèi)災(zāi)害事故之首，是制約煤礦正常生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一。隨著煤炭需求量和開(kāi)采強(qiáng)度的不斷提高，賦存條件較好的資源已逐漸開(kāi)采殆盡。我國(guó)煤炭資源賦存環(huán)境惡劣，大量的煤炭資源賦存著堅(jiān)硬頂板，避免堅(jiān)硬頂板誘發(fā)的頂板事故成為煤礦開(kāi)采的技術(shù)難點(diǎn)[1-2]。工作面賦存堅(jiān)硬頂板巖層時(shí)，易出現(xiàn)大面積懸頂現(xiàn)象，尤其在工作面回采初期，大面積懸頂易造成工作面支架控頂面積過(guò)大，工作面礦山壓力顯現(xiàn)嚴(yán)重，工作面極易出現(xiàn)冒頂事故，可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[3-4]。對(duì)于堅(jiān)硬頂板易出現(xiàn)的大面積懸頂現(xiàn)象，大量專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)行了研究，并提出了治理措施。目前常采用定向預(yù)裂的方式進(jìn)行弱化頂板巖層，主要技術(shù)手段有爆破預(yù)裂和水力壓裂。其中定向水力壓裂具有安全環(huán)保、效果好的優(yōu)點(diǎn)，是治理堅(jiān)硬頂板大面積懸頂?shù)挠行Ъ夹g(shù)之一[5-6]。

1 工程概況

煤峪口礦位于山西大同。目前主要開(kāi)采煤層為11號(hào)、12號(hào)、14號(hào)煤層。其中81020工作面位于410盤(pán)區(qū)，其北部為8108采空區(qū)，南部設(shè)計(jì)為81022工作面(未采)，西部為410盤(pán)區(qū)巷道，東部為礦區(qū)邊界，采掘工程平面圖如圖1所示。81020工作面開(kāi)采11號(hào)～12號(hào)合并煤層，開(kāi)采范圍內(nèi)煤層厚度7.8～8.9 m，平均厚度8.1 m，煤層傾角1～3°，平均傾角2°，工作面開(kāi)采煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層硬度系數(shù)2.6，屬較穩(wěn)定厚煤層；煤層直接頂為深灰色粉砂巖，厚度10.5～13.2 m，平均厚度12.5 m，堅(jiān)硬，組織致密；煤層基本頂為深灰色細(xì)粒砂巖-粉砂巖互層結(jié)構(gòu)，厚度18.3～26.7 m，平均厚度24.6 m，堅(jiān)硬，水平層理發(fā)育；直接底為深灰色粉砂巖-細(xì)粒砂巖互層結(jié)構(gòu)，厚度2.55～9.3 m，平均厚度6.4 m，堅(jiān)硬，致密，且垂直層理。81020工作面走向長(zhǎng)410 m、傾向長(zhǎng)156 m，采用綜放開(kāi)采一次采全高工藝，全部垮落法控制頂板，由于81020工作面賦存厚硬頂板巖層(厚度超過(guò)30 m)，因此，在81020工作面回采時(shí)出現(xiàn)了大面積懸頂現(xiàn)象，造成了嚴(yán)重的礦山壓力顯現(xiàn)，嚴(yán)重影響到工作面安全正?；夭?。

圖1 試驗(yàn)工作面采掘工程平面圖

2 定向水力壓裂頂板弱化技術(shù)

2.1 水力壓裂技術(shù)與工藝

水力壓裂技術(shù)通過(guò)高壓水壓力使工程巖體內(nèi)部的原生裂縫二次重張或產(chǎn)生新的裂縫并持續(xù)擴(kuò)展延伸，即采用高壓水壓力在堅(jiān)硬頂板巖層內(nèi)人為和主動(dòng)的構(gòu)造結(jié)構(gòu)弱面，從而弱化堅(jiān)硬頂板巖層[6]。

定向水力壓裂頂板弱化技術(shù)總體包括3個(gè)步驟：打鉆、封孔和壓裂，具體步驟如圖3所示，具體工藝包括4個(gè)：①基于現(xiàn)場(chǎng)條件，設(shè)計(jì)定向水力壓裂鉆孔參數(shù)、鉆孔壓裂參數(shù)；②定向水力壓裂鉆孔施工、水力壓裂系統(tǒng)安裝，進(jìn)行定向水力壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；③現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)定向水力壓裂頂板弱化效果，實(shí)時(shí)調(diào)整定向水力壓裂參數(shù)；④基于確定水力壓裂參數(shù)，進(jìn)行下一施工地點(diǎn)的定向水力壓裂頂板弱化工作。

圖2 試驗(yàn)工作面煤層頂?shù)装鍘r性柱狀圖

圖3 定向水力壓裂頂板弱化步驟

2.2 定向水力壓裂頂板弱化技術(shù)

在煤峪口礦81020工作面進(jìn)行定向水力壓裂頂板弱化技術(shù)試驗(yàn)。試驗(yàn)段長(zhǎng)度195 m，81020工作面賦存堅(jiān)硬頂板巖層總厚度超過(guò)30 m，定向水力壓裂鉆孔深度應(yīng)大于堅(jiān)硬頂板巖層的總厚度。設(shè)計(jì)在兩巷道施工定向水力壓裂鉆孔，其中鉆孔A、B垂直于巷幫施工，鉆孔A長(zhǎng)度120 m，與水平方向呈30°夾角，進(jìn)入堅(jiān)硬頂板垂深53 m，封孔長(zhǎng)度27 m，鉆孔B長(zhǎng)度80 m，與水平方向呈50°夾角，進(jìn)入堅(jiān)硬頂板垂深54.3 m，封孔長(zhǎng)度17 m，鉆孔A＇、B＇與巷道軸向呈 60°施工，具體布置如圖4、圖5和圖6所示，壓裂時(shí)間均為30 min。

圖4 定向水力壓裂鉆孔布置平面圖(m)

圖5 定向水力壓裂鉆孔A、A'剖面圖(m)

圖6 定向水力壓裂鉆孔B、B'剖面圖(m)

3 定向水力壓裂頂板弱化效果分析

煤峪口礦81020工作面進(jìn)行了195 m的定向水力壓裂頂板弱化技術(shù)試驗(yàn)，并對(duì)81020工作面試驗(yàn)段進(jìn)行了礦壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。工作面支架阻力三維圖如圖7所示(試驗(yàn)段初期0～40 m)。

圖7 81020工作面試驗(yàn)段初期0～40 m支架阻力三維圖

由圖7可知，81020工作面支架阻力呈波浪狀，并存在一定的周期性；81020工作面推進(jìn)0～30 m范圍，支架阻力較小，頂板來(lái)壓不明顯，81020工作面推進(jìn)至35 m時(shí)，基本頂初次垮落導(dǎo)致頂板來(lái)壓突然增大，支架最大阻力46.5 MPa。整體看，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中，工作面支架穩(wěn)定性良好，工作面回采未受到頂板壓力影響。綜上所述，煤峪口礦81020工作面定向水力壓裂頂板弱化技術(shù)試驗(yàn)有效緩解了工作面頂板來(lái)壓。

4 結(jié) 語(yǔ)

在煤峪口礦81020工作面賦存堅(jiān)硬頂板巖層總厚度超過(guò)30 m，造成了嚴(yán)重的礦山壓力顯現(xiàn)現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅到工作面正?；夭?。

1) 為防止工作面回采過(guò)程中堅(jiān)硬頂板誘發(fā)的災(zāi)害事故，提出采用定向水力壓裂頂板弱化技術(shù)。

2) 通過(guò)高壓水致裂人為和主動(dòng)的在堅(jiān)硬頂板內(nèi)部構(gòu)造結(jié)構(gòu)弱面，從而實(shí)現(xiàn)堅(jiān)硬頂板弱化，降低工作面壓力。

3) 基于此，設(shè)計(jì)了定向水力壓裂頂板弱化技術(shù)參數(shù)，并在81020工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明定向水力壓裂頂板弱化技術(shù)可有效緩解工作面頂板來(lái)壓。