水力壓裂初放工作面初采期間礦壓顯現規律研究

[摘 要]本文對采用水力壓裂初次放頂的綜放工作面在初采期間的礦壓進行實測，通過觀察、分析、總結，得到初采期間的一些實測數據，對初次放頂結果進行評判，根據礦壓規律及頂板垮落效果顯示，水力壓裂是一項安全可靠的工作面初次放頂技術，為相似條件下的工作面水力壓裂初次放頂提供一定經驗。

[關鍵詞]綜放 工作面 水力壓裂 初次放頂 礦壓

中圖分類號：TM912 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）16-0144-01

1、引言

井工煤礦工作面初采期間頂板不易管理，尤其是現代化礦井工作面高度高、長度大，初采期間頂板管理不好極易造成采空區大面積懸頂，一旦發生頂板大面積垮落，將會造成人員傷亡、設備損壞、降低工作效率。一般工作面初采期間多采取深孔爆破進行強制放頂，但爆破過程由于一次性使用大量火工品而存在較大隱患，水力壓裂初次放頂相比之下更加安全、經濟、環保，所以對水力壓裂初次放頂礦的壓顯現規律進行研究具有一定意義。[1-3]

2、工作面情況

神東公司布爾臺煤礦42201-1綜放工作面，布置在42煤二盤區，工作面按煤層傾斜方向布置，工作面傾向長度319.6m，走向長度3014.3m，工作面煤層平均煤厚度5.7m，傾角1-4°，工作面沿煤層走向推進，沿煤層底板回采，采煤機割煤高度為3.6m，放頂煤高度為2.1m。采用走向長壁后退式綜合機械化放頂煤采煤方法開采，全部垮落法管理頂板。工作面老頂為粉砂巖，厚度5-24m，平均厚度14m，直接頂為砂質泥巖，厚5-15m，平均厚度9m，直接底為砂質泥巖，厚3-7m，平均厚度5m。液壓支架選用鄭煤機生產的ZFY18000/25/39D雙柱掩護式放頂煤液壓支架158臺。其中中部支架147臺，機頭端頭組合支架1臺、排頭4臺、過渡1臺，機尾排頭支架5臺、過渡支架1臺。

3、礦壓觀測

在工作面安裝之前，在工作面切眼及順槽正幫實施水力壓裂初次放頂技術，以便弱化工作面前方頂板巖層。

礦壓觀測方法：一是支架立柱上安裝壓力傳感器，PM32顯示立柱載荷數據，根據支架的PM32控制器上傳數據；二是現場每班記錄礦壓顯現現象的記錄，如頂底板和巷道兩幫移近量，工作面是否切頂、漏矸、片幫、支架立柱安全閥開啟、支架立柱下沉等。

3.1 直接頂的初次斷裂與垮落

42201-1綜放工作面直接頂的初次垮落先由工作面中部開始，當工作面機頭推進21.2m，機尾推進至至28.6m處，工作面中部60-100#直接頂跨落，兩端各有約60部支架未跨落。工作面機頭推進至28.8m，機尾推進至34.0m，平均31.4m處時，工作面中部直接頂全部跨落，僅兩順槽未跨落，頂板跨落瞬間工作面40-70#支架內作業人員明顯感覺有颶風從采空區吹出，但支架壓力未見明顯增大，支架壓力均在270-350bar之間，工作面未見大面積片幫、支架安全閥開啟或頂板抽條等礦壓顯現。

3.2 老頂的初次斷裂與垮落

工作面繼續推進，支架增阻明顯，尤其工作面中部45#-130#支架，壓力達到420-480bar左右，平均約460bar，支架降架過程中支架立柱底缸受降柱壓力增大，支架安全閥有開啟現象，呈射水狀噴射。

42201-1綜放工作面機頭推進至53.1m，機尾推進至59.2m，平均56.1m處時，老頂來壓，工作面52-85#、95-125#兩段范圍內支架前梁漏頂，冒落高度約2.5m左右，大量矸石進入運煤系統。此時，工作面支架壓力達到回采以來最大值，判斷為老頂來壓。來壓時，工作面30-110#支架壓力較大，均達到450bar以上，最大值在100#支架處達到501bar。

3.3 兩順槽的頂板跨落

當工作面機頭回采至60.3m、機尾66.4m處時，兩順槽頂板跨落，運輸順槽頂板跨落至機頭組合支架后立柱處，緊跟工作面，導致組合支架尤其正幫側組合支架后立柱受力增大，活柱行程較低，較難升起。

3.4 初次來壓分析

由圖1中可明顯看出，工作面在推進至54.0m以后，支架載荷明顯增大，工作面中部30-110#支架普遍達到400bar以上，靠工作面機頭機尾支架也均達到300bar以上，在回采56.1m后工作面中部老頂大面積來壓，回采至58.8m處后，老頂壓力逐漸分散，來壓持續距離2.7m，但30-50#、90-110#支架壓力，截止數據導出位置60.8m仍持續較大，該兩處范圍內來壓持續距離4.7m，約6刀煤，預測在60.8m后數據導出后該范圍內壓力將逐漸減小。

4、結論

綜上可見，采用水力壓裂初次放頂的綜放工作面，在來壓期間局部支架壓力達到500bar，初次來壓步距在56m左右，要小于類似工作面采用深孔爆破強制放頂的來壓步距，同時在初采期間工作面沒有發現大面積的切頂、漏矸、片幫、以及支架立柱大量下沉等現象，說明水力壓裂初次放頂技術起到了作用。

此外，因為是綜合機械化放頂煤開采工作面，在初采期間為了保證工作面頂板安全，在老頂初次垮落之前正常回采，暫不進行放煤工作。老頂跨落后進行正常放煤，初采期間采高保持在3.6m，一方面避免采高超過支架最大支護高度，導致支架不接頂，頂板維護困難而造成漏頂，同時又保證支架活柱有足夠的行程，以免來壓期間采高過低造成支架壓死。

參考文獻

[1] 劉會利，馮彥軍.錦界煤礦綜采工作面水力壓裂初次放頂礦壓顯現規律[J]. 煤炭工程，2017

[2] 劉儒俠.大柳塔煤礦綜采工作面水力壓裂強制放頂技術探索[J]. 陜西煤炭，2016

[3] 馮彥軍，康紅普.定向水力壓裂控制煤礦堅硬難垮頂板實驗[J]. 巖石力學與工程學報，2012

作者簡介

李斌，性別：男，年齡：38，民族：漢，畢業院校：遼寧工程技術大學，專業：礦物資源工程，單位：中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，職務：項目總設計師，職稱：工程師