堅硬頂板定向水壓致裂主控技術(shù)研究

郭 磊 王 超 陳福春 張海鵬

（陜西延長石油巴拉素煤業(yè)有限公司）

據(jù)不完全統(tǒng)計，堅硬頂板下的綜采工作面占據(jù)30%以上［1-4］，由于堅硬頂板完整度好、強度高、厚度大等特征，在回采過程中易造成采空區(qū)后方大范圍懸頂，極易發(fā)生工作面煤壁片幫、冒頂、頂板切落下沉及支架壓死等［57］動力災(zāi)害事故。因此，開展堅硬頂板控制的研究對安全開采具有重要意義。

目前國內(nèi)外對此類堅硬頂板的治理主要包括［8］爆破切頂和水壓致裂切頂2 種方式。相對于爆破切頂而言，水壓致裂憑借其工程量小、管控范圍大、操作簡單、適應(yīng)性強等［9］優(yōu)勢在我國諸多礦區(qū)進行推廣應(yīng)用。國內(nèi)外研究人員針對水壓致裂主控切頂技術(shù)進行了大量研究，并取得相應(yīng)的成果。康紅普等［11］對水壓致裂裂縫擴展機理進行理論分析，并對工作面堅硬頂板定向水壓致裂頂板弱化效果等進行綜合評價。黃炳香等［12］采用室內(nèi)實驗的手段，分析了真三軸圍壓條件下水壓致裂裂縫擴展影響因素。牛同會［13］通過理論分析與現(xiàn)場試驗，通過監(jiān)測壓裂過程的流量及壓力變化特征，綜合評價水壓致裂對堅硬頂板的控制效果。鄧光哲等［14］通過綜合分析法，對頂板預(yù)裂與采動應(yīng)力耦合疊加下，堅硬頂板的裂縫發(fā)育規(guī)律及破壞特征。王冰等［15］利用定向長鉆孔水力壓裂頂板技術(shù)在彬長礦區(qū)進行沖擊地壓防治。以上研究為工作面堅硬頂板懸頂治理提供了理論和實踐依據(jù)，但針對具體地質(zhì)條件下的堅硬頂板水壓致裂方案技術(shù)參數(shù)還需進一步展開針對性研究。

本文在分析堅硬頂板懸頂?shù)奈：岸ㄏ蛩畨褐铝亚许斂刂茩C理的基礎(chǔ)上，提出了2102 工作面堅硬頂板定向水力壓裂切頂主控切頂技術(shù)，并開展現(xiàn)場實踐，為相似條件的安全回采提供借鑒。

1 工程概況

某礦位于陜西省榆林市，設(shè)計年生產(chǎn)能力1 000萬t，設(shè)計服務(wù)年限70 a。2102 工作面位于井田21 盤區(qū)西翼，工作面煤層厚度3 m，平均埋深480 m，工作面寬度300 m，累計推進長度5 900 m，工作面采用雙巷布置，一次采全高綜采工藝。工作面北部為將來接替的2104 工作面，南部為實煤體，西部為井田邊界，工作面布置如圖1所示。

2#煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度為0.5～4 m，巖石硬度系數(shù)f=3～4?；卷斨辛Ｉ皫r厚度為7～21 m，巖石硬度系數(shù)f=4～5。基本底粉砂巖厚度為1.5～17 m，煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

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2 采場堅硬頂板主控切頂控制機理

2.1 堅硬懸頂?shù)奈：?/h3>

工作面從切眼開始推進過程中，軟弱的巖層在采空區(qū)及時冒落，上方厚硬頂板由于強度高，在未達到極限跨距之前不能及時垮落，并在采空區(qū)上方形成懸頂。堅硬懸頂?shù)奈：θ缦拢?/p>

（1）礦壓顯現(xiàn)強烈。2102 工作面基本頂為21 m厚中粒砂巖，堅硬頂板冒落時，一般具有較強烈的沖擊載荷，在老頂初次來壓時更為突出，瞬時沖擊載荷十分強烈。在堅硬頂板懸臂距離較長時，會使煤體出現(xiàn)大面積應(yīng)力集中現(xiàn)象，頂板大面積垮落后有可能出現(xiàn)沖擊破壞。另外，在長距離懸頂條件下，工作面前方煤體內(nèi)彈性能積聚較高，大采高時易發(fā)生沖擊礦壓等危險。

（2）堅硬頂板冒落高度大。硬頂板一般在回采過程中不冒或冒落高度很小，但當達到極限懸頂面積，發(fā)生大面積頂板瞬時一次冒落時，冒落高度遠遠大于其他類型的頂板。在瓦斯礦井中，大范圍的頂板垮落會造成采空區(qū)瓦斯大量涌出至巷道造成瓦斯含量急劇上升，并且可能引起火災(zāi)。

（3）采空區(qū)漏風(fēng)和瓦斯超限。由于堅硬頂板整體性強，節(jié)理裂隙和弱面不發(fā)育，冒落時塊度較大，大巖塊之間互相鉸接，造成大孔隙，形成風(fēng)流的通道，容易造成漏風(fēng)和瓦斯超限。

采空區(qū)堅硬頂板懸頂及致災(zāi)示意圖如圖2所示。

2.2 堅硬頂板強制切頂控制機理

基于對懸頂致災(zāi)原因的分析，確定堅硬頂板強制切頂控制機理如下：

（1）切斷動載傳遞主要通道，降低工作面前方煤體的動載擾動。切頂能夠?qū)杂矌r層內(nèi)部由致裂完整狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱严栋l(fā)育的軟弱狀態(tài)，動載應(yīng)力波在傳遞過程中遇到軟弱界面時，其能量將會衰減，達到減弱對工作面前方煤體的動力沖擊的目的。

（2）減小懸頂長度，降低工作面煤壁片幫、壓架風(fēng)險。堅硬巖層作為上覆巖層的主要載體，懸頂長度較大時，對其下部煤巖體的擾動較大，工作面前方煤體受壓破壞顯著，支架工作阻力增大。根據(jù)彈性地基梁理論，堅硬巖層的在彎矩最大處發(fā)生拉破壞，當支架與煤層無法承擔(dān)斷裂的堅硬巖層產(chǎn)生的尖峰載荷時，煤壁將會發(fā)生片幫失穩(wěn)，斷裂的堅硬巖層將會沿煤壁切落下沉，造成支架壓死事故。切頂能夠在特定的位置構(gòu)造預(yù)制裂縫，人為控制堅硬頂板的跨距，堅硬頂板在工作面推過既定位置后及時垮落并充滿采空區(qū)，排除產(chǎn)生颶風(fēng)效應(yīng)的隱患。

3 堅硬頂板定向水壓致裂主控切頂技術(shù)

3.1 頂板定向預(yù)裂技術(shù)

結(jié)合2102 工作面實際生產(chǎn)地質(zhì)條件，針對中粒砂巖堅硬頂板難冒落，工作面初采期間，初次來壓步距過大、支架工作阻力較高等問題，結(jié)合周邊礦井的水力壓裂切頂前期應(yīng)用效果，確定2102 工作面堅硬頂板采用分段注水水壓致裂切頂技術(shù)，達到安全生產(chǎn)的目的。施工工藝流程（圖3）如下：

（1）在鉆場內(nèi)利用定向鉆機根據(jù)設(shè)計的鉆孔軌跡不斷調(diào)整鉆進角度，達到目標層位的終孔位置后回撤鉆頭。

（2）將2個封孔膠囊通過中空壓裂桿安裝完成并連接高壓注水鉆桿后，利用鉆機將其推送至終孔位置附近的壓裂點Y1位置。

（3）將高壓柱塞泵通過高壓膠管與注水鉆桿連接，檢查無誤后，啟動高壓水泵，開始向封孔膠囊內(nèi)部注水。

（4）當膠囊內(nèi)部通道的注水壓力達到封孔壓力后，膠囊將左右兩端的出水通道堵死，并開啟中空壓裂桿內(nèi)部的單向閥，向密閉空間內(nèi)持續(xù)注入高壓水。

（5）高壓水在密閉空間內(nèi)匯集，壓力持續(xù)增大，并超過巖體的起裂壓力后巖體裂開，持續(xù)的高壓水將通過新生裂隙持續(xù)向巖體深部流動形成裂隙網(wǎng)絡(luò)。

（6）Y1點壓裂工作完成后，關(guān)閉高壓泵并啟動鉆機將封孔膠囊拖曳至Y2壓裂點位置，重復(fù)上述操作，直至完成該鉆孔內(nèi)的所有設(shè)計位置的壓裂后，退出封孔膠囊，進行下一個鉆孔的壓裂工作。

3.2 水壓致裂主控切頂方案

2102 工作面切眼堅硬頂板定向水壓致裂方案如圖4所示。

（1）鉆孔位置。在2102 工作面一號回風(fēng)巷內(nèi)距切眼10，15 m 位置布置2 個鉆場，每個鉆場布置2 個鉆孔，垂直間距3 m，鉆孔直徑為96 mm，鉆孔爬坡區(qū)域擴孔處理后采用套管進行加固，防護罩塌孔。

（2）壓裂點位置。2102 工作面長度300 m，設(shè)計鉆孔內(nèi)壓裂點初始位置距離回風(fēng)巷采煤幫6 m，間距為9 m，每個孔共計30個壓裂點。

（3）壓裂孔層位。低位鉆孔距離煤層頂板15 m，高位鉆孔距離煤層頂板18 m。

4 切頂卸壓控制效果分析

4.1 頂板水壓致裂效果分析

利用鉆孔窺視儀對2012 工作面開切眼頂板進行水壓致裂切頂后的頂板進行鉆孔窺視，更加直觀準確地揭示水壓致裂切頂效果，如圖5 所示。由圖5 可知，采用分段注水壓裂后，堅硬頂板內(nèi)部裂隙發(fā)育，局部出現(xiàn)10 mm 左右裂紋，頂板完整程度降低，水壓致裂效果明顯。

4.2 巷道圍巖變形特征

在2102一號回風(fēng)巷內(nèi)距離工作面切眼30 m處設(shè)置1 個表面位移測站，圍巖變形監(jiān)測結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可知，距工作面25 m 時，巷道圍巖表面位移開始緩慢上升，在距離工作面5 m 時，圍巖變形量急劇增加；在距離工作面1 m 處，頂?shù)装遄畲笠平繛?81 mm，兩幫最大移近量為485 mm，能夠滿足正常生產(chǎn)要求。

4.3 支架阻力監(jiān)測結(jié)果分析

覆巖的運動直觀的表現(xiàn)就是支架工作阻力的變化，在工作面中部支架位置安裝1 個監(jiān)測站，監(jiān)測支架工作阻力的變化特征，如圖7所示。

（1）工作面回采至壓裂區(qū)域時，工作阻力升高，初次來壓步距15.6 m，支架最大工作阻力36.1 MPa，未超過安全閥開啟壓力且小于未壓裂區(qū)域周期來壓期間的最大工作阻力。

（2）在連續(xù)推進60 m 時，工作面中部共計來壓3次，平均周期來壓步距為22 m，說明水壓致裂主控切頂能夠改變堅硬巖層的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，消除長時懸頂效應(yīng)，縮短初次來壓步距，改善工作面應(yīng)力環(huán)境。

5 結(jié) 論

（1）堅硬頂板厚度大、強度高、完整性好，工作面初采期間來壓步距增大，頂板大面積懸露瞬間垮落容易造成動力災(zāi)害。

（2）根據(jù)2102 工作面地質(zhì)條件，提出了堅硬頂板分段注水定向壓裂主控切頂技術(shù)，確定鉆孔直徑為96 mm，水平間距5 m，垂直間距3 m，單孔壓裂點30個，破壞堅硬頂板完整性，減小頂板的初次來壓步距。

（3）堅硬頂板分段注水定向壓裂破壞了頂板完整性，堅硬頂板內(nèi)產(chǎn)生裂隙，工作面初次來壓步距15.6 m，支架最大工作阻力36.1 MPa，工作面端頭頂?shù)装遄畲笠平繛?81 mm，兩幫最大移近量為485 mm，保證了安全生產(chǎn)。