砂巖頂板水力致裂技術(shù)及應(yīng)用

王 曉

(大同煤礦集團(tuán)朔州煤電鐵峰煤業(yè)公司南陽(yáng)坡礦，山西 朔州 036000)

1 概述

大同煤礦集團(tuán)鐵峰煤業(yè)公司南陽(yáng)坡煤礦8704工作面走向長(zhǎng)1400m，傾向180m，可采長(zhǎng)度1322m。該工作面位于南陽(yáng)坡井田307盤區(qū)東翼，東部為礦界，西部為早期采空區(qū)，南部為408盤區(qū)巷，北部緊鄰110m落差正斷層。地面標(biāo)高1414～1466m，工作面標(biāo)高1222～1274m，蓋山厚度約234m。該工作面頂板為粗砂巖，在回采過程中兩順槽頂板垮落困難，為防止古塘不能自然垮落面積過大，造成沖擊性來壓，根據(jù)頂板巖性設(shè)計(jì)在工作面頭、尾順槽超前注水對(duì)頂板進(jìn)行水力致裂，從而實(shí)現(xiàn)隨采垮落。此項(xiàng)水力致裂技術(shù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)礦井的安全生產(chǎn)意義重大。

2 研究現(xiàn)狀

從上個(gè)世紀(jì)五十年代起我國(guó)先后對(duì)堅(jiān)硬頂板控制技術(shù)進(jìn)行研究，堅(jiān)硬頂板的控制從起初采用煤柱支撐法、采空區(qū)填充法來防止頂板冒落，達(dá)到安全采煤的目的發(fā)展到利用強(qiáng)制放頂法、強(qiáng)力支護(hù)切頂法促使頂板冒落的階段。煤柱支撐法技術(shù)簡(jiǎn)單，但資源回收率低造成了資源的浪費(fèi)。采空區(qū)填充法工序繁瑣，增加了成本。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)堅(jiān)硬頂板的處理方法[1,2]主要有：

（1）深孔爆破弱化堅(jiān)硬頂板。施工工藝巷道向頂板打深孔，在工作面前方對(duì)頂板進(jìn)行預(yù)爆破，事先破壞頂板的完整性。

（2）強(qiáng)制放頂，包括深孔爆破強(qiáng)制放頂和淺孔爆破強(qiáng)制放頂。缺點(diǎn)是炸藥單耗大，污染井下空氣，打眼放炮影響正常回采進(jìn)度，而且存在安全隱患。新型的高壓空氣爆破致裂技術(shù)和二氧化碳致裂技術(shù)有效替代了炸藥在高瓦斯礦井中的使用，但與炸藥相比，爆破威力較小，因此在工程應(yīng)用中比較局限。

（3）頂板注水軟化。預(yù)先向頂板鉆孔加壓注水，通過高壓水對(duì)頂板巖層的壓裂和軟化作用破壞頂板的完整性，使頂板初步卸壓，分為地面鉆孔高壓預(yù)注水和井下深孔高壓預(yù)注水[3]。可以起到降塵的作用，但對(duì)于厚度大、堅(jiān)硬難冒的頂板效果欠佳。

高壓水力致裂的方法是在頂板關(guān)鍵巖層中進(jìn)行預(yù)生裂隙，形成弱面，破壞巖石的整體性和降低巖體強(qiáng)度，從而減少頂板應(yīng)力集中，降低礦壓顯現(xiàn)程度，達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。大同煤田賦存的煤層最顯著的特點(diǎn)是“兩硬”（煤層堅(jiān)硬、堅(jiān)硬頂板）。巖層多為整體性強(qiáng)、分層厚度大的厚砂巖、礫巖，堅(jiān)硬難冒，來壓時(shí)常出現(xiàn)沖擊性破壞，壓力顯現(xiàn)劇烈。大同礦區(qū)部分煤礦的實(shí)踐證明，水力致裂技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)有效的堅(jiān)硬頂板處理方法。

3 水力致裂技術(shù)

3.1 工作面周期來壓的影響

老頂周期破斷步距的經(jīng)驗(yàn)公式為[4]：

式中：

h-老頂巖層厚度，m；

σs-老頂巖層抗拉強(qiáng)度，MPa；

q-巖石自重及其載荷；

μ-巖石的泊松比。

公式表明，沖擊地壓的發(fā)生是能量積聚到一定程度的突然釋放，頂板厚度和懸板長(zhǎng)度決定蓄能的大小。頂板巖層破斷步距和懸頂長(zhǎng)度受基本頂巖層厚度的影響，合理設(shè)定鉆孔間距控制頂板破斷步距是預(yù)防沖擊地壓的關(guān)鍵，而鉆孔間距可根據(jù)工作面周期來壓步距來確定，可以設(shè)定為周期來壓步距的1/2。

3.2 關(guān)鍵層理論

采空區(qū)堅(jiān)硬頂板破斷失穩(wěn)后呈現(xiàn)出“下位短懸臂梁與上位長(zhǎng)砌體梁”結(jié)構(gòu)，厚度大，強(qiáng)度高，且周期性的破斷失穩(wěn)會(huì)形成不同程度的動(dòng)載作用[5]。關(guān)鍵層即對(duì)采場(chǎng)上覆巖層局部或直至地表的全部巖層活動(dòng)起主要控制作用的巖層，相對(duì)其他巖層較為堅(jiān)硬，厚度較厚，破壞前以梁的結(jié)構(gòu)形式，作為全部巖層或?qū)硬繋r層的承載主體，關(guān)鍵層的破斷將導(dǎo)致全部或局部上覆巖層的破斷，引起較大范圍內(nèi)的巖層移動(dòng)[6]，關(guān)鍵層是最佳的切頂位置。

在確定鉆孔深度時(shí)，充分考慮關(guān)鍵層的影響，水力致裂鉆孔孔底楔形槽放在此層的中間。根據(jù)8704工作面頂板情況，老頂粗砂巖為關(guān)鍵層，鉆孔開槽位置放在老頂粗砂巖中，8704工作面頂板巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 8704工作面頂板巖體力學(xué)參數(shù)表

3.3 鉆孔角度的確定

斷裂力學(xué)認(rèn)為堅(jiān)硬頂板在鉆孔中高壓水的作用下的擴(kuò)展方向決定裂隙的損傷程度，孔底楔形槽起到起裂導(dǎo)向作用。水對(duì)巖石強(qiáng)度的影響把巖石裂隙化分為三個(gè)區(qū)：裂紋的尖端化損傷區(qū)、裂紋兩側(cè)的裂面化損傷區(qū)、連續(xù)性損傷區(qū)。損傷區(qū)擴(kuò)展角度越大，越有利于裂隙的發(fā)育及頂板的破斷。從理論上鉆孔角度偏小好，但角度越小，孔的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，對(duì)于頂板易變形的工作面不宜施工鉆孔。

注水泵壓力和流量大小對(duì)于壓裂效果至關(guān)重要，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)要求注水泵額定壓力不小于30MPa，流量不能低于80L/min。同時(shí)，根據(jù)工作面推進(jìn)速度和現(xiàn)場(chǎng)壓裂效果適當(dāng)調(diào)整注水時(shí)間。

4 工程應(yīng)用

根據(jù)工作面實(shí)際情況，南陽(yáng)坡煤礦8704工作面周期來壓步距為26～31m，待工作面周期來壓后從2704順槽切頂線位置起每15m的位置布置一組鉆孔，1#孔方位角85°(平行于巷道），2#孔110°，3#孔135°。共設(shè)計(jì)鉆孔23組。在5704順槽布置同樣的鉆孔，1#孔85°(平行于巷道），2#孔60°，3#孔35°。共設(shè)計(jì)鉆孔23組。為了保證施工質(zhì)量，鉆孔傾角定為45°，鉆孔深度22m，垂深15.8m。工作面鉆孔布置如圖1所示。

圖1 工作面鉆孔布置圖

工作面采用額定流量200L/min、額定壓力56MPa的注水泵對(duì)頂板進(jìn)行注水，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定結(jié)果顯示，48s時(shí)壓力達(dá)到最大38.58MPa，推斷巖層開始破裂，隨后裂隙充水壓力下降，待裂隙充滿水后壓力再次升高，隨后大約260s后，從周邊錨桿、錨索開始出水卸壓，證明頂板已預(yù)裂，注水壓力與時(shí)間曲線如圖2所示。

圖2 壓力-時(shí)間曲線圖

根據(jù)生產(chǎn)班觀察頂板情況，發(fā)現(xiàn)頂板多處存在縱橫交錯(cuò)的裂隙并含有明顯水印，頭部支架和尾部支架附近懸板分別垮落4.4m和4.2m。表2所示是8704工作面砂巖頂板注水效果分析。

表2 8704工作面砂巖頂板注水效果分析

表2中可以看出，頂板注水效果良好，平均周期來壓步距縮短，利于頂板的垮落，同時(shí)也加快了工作面的推進(jìn)速度。

5 結(jié)論

長(zhǎng)期以來的頂板水力致裂方法主要從宏觀上研究，往往靠實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

（1）通過結(jié)合滲透理論、斷裂力學(xué)等相關(guān)知識(shí)，得出在高壓水的作用下巖石的損傷顯現(xiàn)規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)化鉆孔參數(shù)達(dá)到更好的預(yù)裂效果是今后的研究方向。

（2）施工過程中不同位置的鉆孔施工參數(shù)需根據(jù)巖性以及相鄰鉆孔之間的具體情況來調(diào)整。

（3）鉆孔深度要確定在頂板不宜垮落的關(guān)鍵層（一般為基本頂或亞關(guān)鍵層），鉆孔切頂位置應(yīng)放在關(guān)鍵層的中間，從理論上鉆孔角度偏小好，工程實(shí)際中要綜合考慮施工難易程度和鉆孔質(zhì)量。