同忻礦8106工作面堅硬頂板水壓致裂技術研究實踐

武潔

（大同煤礦集團有限責任公司資源籌備處 ，山西 大同 037003）

1 工程背景

同煤集團同忻礦8106工作面現主采石炭系太原組3～5#煤，煤層均厚14.47m，平均開采深度約417m，煤層平均傾角為3°，屬于近水平煤層，上覆直接頂為均厚12.52m的砂質泥巖、2#煤層及細砂巖組成的復合頂板，老頂為均厚15.11m的細砂巖中砂巖互層（K3老頂），該老頂巖性致密、以石英和長石為主、強度及穩定性均較好。工作面采用綜采放頂煤開采工藝，該工作面純煤層厚度為13.33m，采煤高度3.5m，放煤高度9.83m，采放比為1：2.81，煤機截深為0.8m，一采一放，全部垮落法處理采空區。

通過對8105工作面回采過程中礦壓觀測可知，老頂的初次來壓步距約為130.8m，周期來壓步距約為18.3m左右，來壓期間頂板壓力較大，持續時間較長，液壓支架安全閥開啟頻繁，活柱下縮量最大可達到300mm/h，工作阻力可達到14000kN以上，工作面中部礦壓顯現強于兩個端頭，同時伴隨煤壁片幫等現象發生，片幫深度可達1000mm以上。順槽超前支護段出現支柱折損、鋼梁壓彎、頂板急劇下沉等強礦壓現象。對工作面上覆頂板運動的微震監測結果表明，特厚煤層回采動壓影響范圍為工作面煤壁前方50～60m范圍，對上覆頂板影響高度在170m左右。

2 堅硬頂板水壓致裂控制技術

同忻礦所采石炭系特厚煤層在使用綜放開采技術時所表現出的強礦壓現象是多種因素綜合作用的結果，地質構造導致的應力集中程度高、煤層上覆數層厚硬頂板的分期破斷變形失穩、回采巷道動壓應力高、侏羅系上組煤采后遺留的采空區及煤柱等，都會導致強礦壓現象發生。針對該礦特厚煤層的賦存情況及生產條件，僅靠提高液壓支架對頂板的支承強度無法完全阻止強礦壓現象的發生，因此通過對頂板強度進行弱化，對高應力條件進行緩解，合理選用支架工作阻力，才能從根本上防止上述強礦壓現象的發生。

2.1 水壓致裂施工工藝流程

水壓致裂工業性試驗選在同忻礦8106工作面進行，所需壓裂設備主要有：隔爆型水利壓力電動機、BZW200/56型注水泵、容積3000L的SX3000型清水箱、電器控制箱、切槽鉆頭、封孔器及安裝桿等。

注水施工包括鉆孔、封孔及注水三個步驟，其設備布置如圖1所示。

圖1 水壓致裂施工系統布置圖

1）鉆孔。將鉆機放置于工作面順槽內，若巷道斷面大小無法滿足設備需求可新開掘鉆場，根據設計方案中的仰斜及水平角度朝頂板進行鉆孔，所需鉆機型號根據巖層情況及鉆孔參數來選取，針對砂巖頂板可選用TXU-75型、FRA-160型或MYZ-150型。為方便鉆孔及封孔施工的進行，施工點應壁面光滑、巖層內無明顯的節理裂隙及離層等現象，鉆孔施工完成后將切槽刀具放入鉆孔底部以切出楔形槽，如圖2所示。

圖2 切槽示意圖

2）割縫。割縫設備如圖3所示，將機身1與導向裝置組合在一起，其中有一個縱向的開槽，刀具5通過螺栓8連接在機身1上，并將其放置于導向裝置2軸線方向的切槽中，使其能在軸線方向運動。上述設備原件除可同時運動外，可沿著軸向和徑向帶動穩定裝置10進行運動。通過復位彈簧可以使處于極限拉伸狀態的導向裝置2和機身1連接。刀具5處于導向裝置外部，通過剪切方式向前運動。在儀器的末端有定向錐3和連接器，通過二者的作用使鉆桿與儀器相連接。

圖3 割縫設備示意圖

在具體施工中，首先將設備機身和鉆孔相連接并放入鉆孔中，同時將定向錐推入孔底。機具在孔中先原地進行空鉆，待將鉆孔中的泥漿沖出并有清水流出時，隨后向前推動鉆桿運動，其向前移動量應小于切槽縱向方向的長度，進而將裂縫預切出。鉆桿在運動時應緩慢進行，以防止將刀具損壞。鉆桿不向前移動時應原地旋轉1min左右，以方便鉆具從切縫中移出。在鉆機停止轉動且待復位彈簧將刀具撤回后，將鉆桿從鉆孔中取出。

3）封孔。采用專用橡膠封孔器進行封孔，將其放入鉆孔內指定位置，當注液壓力達到9～12MPa時，使封頭在鉆孔中膨脹，即可實現封孔。

4）注水。水源可使用礦井水，將水由地面蓄水池經井下輸水管路送到鉆孔施工地點，將水過濾后通過高壓注水泵將其注入頂板中，在水泵的注水口和出水口分別安裝流量計和壓力表，以對注水量和出水壓力進行監測。

5）監測。通過監測儀器設備對水力壓裂過程進行實時監測，需重點監測注水壓力及孔周邊巖體壓力等，當巖體壓力下降至5MPa時，可認為巖體已壓裂，致裂完成。

2.2 水壓致裂弱化頂板關鍵參數確定

現場施工效果的好壞受煤巖體物理力學參數、鉆孔及注水參數等。當工作面長度低于100m時可單向布置鉆孔，當工作面長度超過100m時可雙向布置鉆孔，同時應考慮鉆孔深度、鉆孔角度、鉆孔間距、封孔長度、注水量、注水壓力及注水時間等。

1）水壓致裂位置，通過水壓致裂應使上覆厚硬頂板巖梁的懸露高度減小，使其抗彎截面系數減小、完整性遭到破壞，最終減小頂板巖梁的極限垮落步距，從而緩解厚硬頂板大面積垮落而造成的強礦壓現象，水壓致裂位置如圖4所示。

圖4 水壓致裂位置

頂板巖梁的彎矩極值Mmax和抗彎截面系數分別為：

其中：

（qn)0為堅硬巖層上覆n層巖層作用于其的載荷值，按下式計算：

式中：hi為頂板上覆巖層的厚度；E和Ei分別為堅硬巖層及其上覆各巖層的彈性模量；γ和γi分別為堅硬巖層及其上覆各巖層的容重；L0為頂板極限破斷步距；d為水壓致裂后堅硬巖層及其上位巖層載荷傳遞系數；Hc為水壓致裂后殘余頂板巖層厚度。若要求水壓致裂強制放頂后的頂板極限破斷步距L1是未采取措施前L0的的1/n倍，則進采用水壓致裂措施時的鉆孔深度H1可由下式計算：

將該工作面相關參數帶入計算可得致裂到關鍵層垂高為54m，考慮到現場長距離鉆孔施工難度大，因此致裂的頂板垂高為30m，鉆孔傾角按45°選取，最終的鉆孔斜長為43m。這樣致裂的巖層可緩解厚硬頂板破斷變形而導致的失穩現象。

2）鉆孔間距，主要由注水孔的濕潤半徑來確定，而濕潤半徑通常與致裂巖層的巖性、注水量、注水時間及注水壓力等，應結合實驗與現場綜合確定。通常按30～40m選取，在現場試驗時，在距離注水鉆孔20m的觀測鉆孔發現有液體流出，由此可知，當鉆孔間距設計為40m時，可確保在水壓致裂作用下相鄰兩孔可發生貫通，對堅硬頂板起到致裂破斷作用。

3）封孔長度，封孔選用專用橡膠封孔器，其全長為40m，有效封孔長度為38m。

4）注水壓力，致裂水壓應大于煤巖體的抗拉極限強度，從而達到既能將煤巖體破裂，同時不會使水壓從裂隙中釋放，根據工作面實際情況，將致裂水壓力取56MPa。

5）注水量與注水時間，頂板注入高壓水量的大小對施工效果影響很大，若注水量過小，則無法有效弱化頂板，若注水量過大，則導致頂板過于破碎，易引發冒頂事故。注水量可通過浸水試驗和施工條件綜合確定。在現場施工中，單孔注水量可按0.8m3取，單孔注水時間約500s左右。

2.3 水壓致裂施工工藝及效果分析

受8106工作面回采動壓影響，5106巷來壓明顯，巷道頂板發生嚴重的破碎變形，因此在5106巷內進行定向水壓致裂施工，鉆孔終孔位置位于K3老頂，通過對弱化處理使其能夠在工作面回采過程中及時發生垮落，及時釋放頂板壓力，防止強礦壓現象發生。5106巷與上區段采空區間區段煤柱寬度為38m，為緩解采空側懸頂結構對本工作回采影響，水壓致裂鉆孔施工位置朝向8105工作面采空區，鉆孔間距按40m設計，在地質條件較差的地段可適當增大或減小孔間距，鉆孔施工如圖5所示。

圖5 8106工作面水壓致裂鉆孔施工示意圖

3 施工效果分析

通過對工作面堅硬頂板進行水壓致裂施工，使工作面上覆頂板斷裂位置內移，圍巖高應力由采空側向煤體深部轉移，避免了回采巷道在超前支護段外出現采空側圍巖懸臂結構和本工作回采動壓的雙重影響，使回采巷道處于低應力區，礦壓顯現強度明顯降低，有利于巷道穩定性維護，減少了巷道二次維修費用。

試驗段先施工7個鉆孔，編號為HYD-1～HYD-7，在進行水壓致裂時，當某一鉆孔致裂時，其余鉆孔可兼作為效果觀測孔，與致裂孔相距最遠90m處鉆孔可有水溢出，多數鉆孔致裂范圍可達到55m左右。對控制箱內注水壓力每隔50s進行一次采集，繪制如圖6所示的壓力與時間的曲線，以對壓力過程進行分析研究。

圖6 水壓致裂壓力-時間曲線

由圖6可知，1號和3號鉆孔在相對恒定的水壓力作用下，圍巖裂隙發生擴展；4號、5號和7號鉆孔內水壓力隨時間增長出現一定的升降變化，表明該處煤巖體表現為各向異性和非連續性；2號鉆孔內水壓力隨時間變化持續上升，表明該處煤巖體所處地應力環境異常或鉆孔裂紋擴展反向與煤巖體結構面垂直所致。

通過水壓致裂堅硬老頂后，8106工作面初次來壓步距為51.6m，支架動載系數為1.75，水壓致裂前平均周期來壓步距為18.7m，支架平均動載系數為1.69；水壓致裂后，前三次周期來壓步距分別為16.4m、16.2m、17.7m，支架平均動載系數減小到1.53。表明通過水壓致裂可使工作面上覆頂板得到一定程度的弱化，周期來壓步距和強度都得到減小。5106順槽超前支護段內頂板基本無下沉，巷道變形量較小，支護效果良好，表明水壓致裂可起到切頂卸壓護巷的作用。

4 結 論

通過礦壓觀測總結了堅硬頂板礦壓顯現規律，并提出通過水壓致裂解決堅硬頂板情況下的強礦壓問題，在同忻礦8106工作面現場工業性試驗結果表明，水壓致裂不但使工作面來壓步距和強度得到減小，同時起到切頂護巷作用，技術及經濟效益明顯。