高壓水致裂在高瓦斯工作面初次放頂中的應用

吳小娃

（山西大平煤業有限公司，山西 長治 046200）

0 引言

我國煤礦工作面多采用全部垮落法處理頂板，當工作面頂板強度大、節理裂隙發育程度差、完整性好時，采空區后方會形成大面積懸頂，使得工作面初次來壓步距較大[1,2]。大量工程實踐已經表明[3,4]，初次來壓步距較大時，工作面礦壓顯現范圍及程度很大，嚴重時會引起工作面頂板冒落、設備損壞、甚至人身傷亡等。工程實踐中多采用爆破方式對頂板進行弱化，但在高瓦斯礦井，該方法具有極大的安全隱患。基于此，在大平煤業3111工作面開展高壓水致裂頂板，對頂板不同位置進行致裂，破壞頂板的完整性，減小工作面來壓步距，降低工作面初次來壓期間的礦壓顯現程度，保證初次放頂期間工作面人員及設備安全。

1 工作面概況

3111工作面位于一采區的南部，北面為三條大巷，東面為3109工作面采空區，西面為3113工作面，南部為井田邊界。工作面埋深350～410m，煤層平均傾角10o，平均厚度6.19m，設計采高6.0m，煤層結構簡單，工作面最大瓦斯涌出量為25.11m3/min。

工作面采用走向長壁后退式綜合機械化放頂煤采煤法，可采長度為1457m，全部垮落法管理頂板。工作面切眼及兩順槽均采用錨網索支護，直接頂巖層為泥巖，厚度為2.7m，其上覆厚度分別為10.41m、9.93m的細粒砂巖和粉砂巖，強度較大、完整性好，不易垮落，如不采取弱化措施，工作面初次來壓期間易發生強烈礦壓顯現，影響工作面安全。

2 頂板巖層高壓水致裂法

如圖1所示，高壓水致裂法是預先在頂板巖層中，采用割縫刀具形成定向裂縫，利用注水裝備向鉆孔注入高壓水，使巖體沿定向裂縫擴展，從而實現堅硬巖層的定向分層或切斷，弱化堅硬巖層的強度及整體性，使其能夠及時垮落，從而保證工作面初次放頂期間的安全生產。

高壓水致裂系統的主要組成如圖2所示，主要由高壓泵、高壓管路系統、封孔設備等組成。

圖1 高壓水致裂原理圖

圖2 高壓水致裂施工示意圖

3 高壓水致裂斷頂的優越性分析

斷頂爆破與高壓水致裂是應用最為廣泛的堅硬頂板處理技術。高壓水致裂在頂板處理方面的優越性主要表現在以下幾個方面：

1）對圍巖穩定性影響小。在斷頂爆破產生的爆破震動作用下，圍巖錨桿錨固區的粘結可能發生損傷、破裂，引起巷道支護體破壞、圍巖力學性質劣化等，影響巷道、工作面切眼圍巖的穩定性；切眼直接頂在爆破震動作用下，易發生破碎，直接影響支架的接頂效果，進而影響回采過程中支架對頂板的支撐作用。而高壓水致裂技術在斷頂過程中，由于僅對堅硬巖層進行弱化，對巷道支護體及圍巖介質力學性質影響很小，弱化堅硬頂板的同時又不影響巷道圍巖的穩定性。

2）對采掘工作影響小。爆破時要求爆破點附近300m范圍內必須停止作業[5]，嚴重影響了工作面的采掘工作，對礦井生產形成了很大的干擾。高壓水致裂技術施工過程安全，對采掘工作影響較小。

3）受安全管控影響小。斷頂爆破必須采用雷管、炸藥，其供應受地方安全形勢的影響較大，比如我國新疆、內蒙等地區，極大影響了對工作面頂板的及時處理，而高壓水致裂技術不受此因素影響。

通過以上分析可知，在對堅硬頂板弱化處理方面，高壓水致裂技術具有對圍巖穩定性影響小、對采掘工作干擾小、可適應復雜的井下及社會環境等優點。

4 現場試驗

4.1 高壓水致裂參數設計

高壓水致裂工作在切眼貫通后馬上實施，開孔位置位于工作面切眼正幫肩窩處，鉆孔采用ZQJ-1200型氣動鉆機，成孔直徑58mm，沿工作面切眼正幫共布置鉆孔30個，鉆孔間距10m。

鉆孔采用前進式單孔多次致裂工藝，致裂層位為工作面上覆堅硬巖層，由于堅硬巖層厚度較大，對其采用多次致裂以達到較好的弱化效果。如圖3所示，鉆孔傾角60o，鉆孔深度21m，致裂深度分別為9m和21m處，致裂壓力不小于25MPa，致裂過程中采用KJ327數據采集儀實時監控致裂過程，記錄流量和壓力變化曲線，致裂時間一般不少于0.5h。

圖3 工作面切眼鉆孔施工圖

4.2 致裂效果分析

3111工作面切眼共施工鉆孔30個，單孔兩次致裂，總致裂次數為60次，圖4與圖5為人工預先形成的弱面。

圖4 第一次致裂預先形成的人工弱面

圖5 第二次致裂預先形成的人工弱面

通過對致裂壓力進行分析，致裂最大壓力27MPa，最小壓力 11MPa，致裂壓力多分布在15～24MPa，圖6為14#孔致裂壓力與時間的關系曲線，致裂過程起始壓力較大，人工裂縫起裂后，隨著裂隙的擴展，壓力逐漸降低，當致裂壓力開始降低時繼續致裂，致裂過程持續0.5h。

圖6 14#鉆孔致裂壓力隨時間的變化曲線

4.3 初次放頂效果分析

根據微震監測數據，繪制微震事件頻次及能量隨工作面推進度的變化曲線，如圖7所示，當工作面推進至29.8m時，微震事件頻次和總能量大小均出現大幅增長，判定工作面正在處于基本頂初次來壓階段。來壓期間微震事件總能量較小，無大能量事件，說明基本頂初次來壓強度不大。

圖7 微震時間頻次及能量變化曲線

圖8 支架循環末阻力變化曲線

對工作面支架阻力數據進行統計分析，如圖8所示，當工作面推進至30.8m時，支架循環末阻力增大至32.9MPa，根據來壓判據計算公式[6,7]可知，基本頂發生初次來壓，另外現場觀測發現，此時工作面38#～95#、108#～172# 支架安全閥大面積開啟，并在工作面后方伴有劇烈聲響，綜合判定基本頂初次來壓步距為30.8m。

將該工作面與同地區類似工作面對比可知，采取高壓水致裂頂板后，，基本頂初次來壓步距縮短了約25～30m，來壓期間的礦壓顯現程度大幅降低，保證了工作面安全回采，證明了高壓水致裂切頂技術是一項有效可行的工作面初次放頂技術。

5 結論

1）與斷頂爆破進行對比，分析了高壓水致裂在頂板處理方面的優越性，認為高壓水致裂技術具有對圍巖穩定性影響小、對采掘工作干擾小、可適應復雜的井下及社會環境等優點。

2）針對大平煤業3111工作面頂板巖層賦存條件，設計高壓水致裂鉆孔間距為10m，單孔深度21m，鉆孔傾角60°，致裂壓力不小于25MPa，單孔分別在10m及21m處進行致裂，致裂時間持續0.5h。

3）通過在大平煤業3111工作面切眼采用高壓水致裂技術，對比分析工作面初次來壓步距與來壓期間的頂板活動劇烈程度，可知高壓水致裂技術能夠有效解決工作面初次放頂問題。