綜采工作面堅(jiān)硬頂板初放及端頭懸頂水力致裂控制試驗(yàn)

2019-09-09 07:09:38王俊峰

煤礦現(xiàn)代化 2019年6期

王俊峰

（山西高平科興米山煤業(yè)有限公司，山西高平 048404）

0 引言

我國堅(jiān)硬頂板煤層約占1/3，煤層上方的堅(jiān)硬難垮頂板是引發(fā)煤與瓦斯突出、沖擊地壓等災(zāi)害的主要因素之一[1-2]。山西高平科興米山煤業(yè)有限公司開采的15#煤層上覆頂板為6.2m厚石灰?guī)r，由于頂板堅(jiān)硬、厚度大、強(qiáng)度高、節(jié)理裂隙不發(fā)育，造成其綜采工作面初采期間大面積懸頂難以垮落。而且在正常回采期間，兩側(cè)端頭也會(huì)形成周期性懸頂，不符合頂板管理的要求，同時(shí)也易導(dǎo)致采空區(qū)瓦斯積聚。人工強(qiáng)制放頂時(shí)，傳統(tǒng)的炸藥爆破方法成本高、井下污染大，危險(xiǎn)性高。并且由于端頭處于工作面采動(dòng)影響范圍內(nèi)，炸藥爆破處理端頭懸頂也不符合《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定。

為有效解決堅(jiān)硬頂板懸頂問題，開展了水力致裂頂板試驗(yàn)。頂板水力致裂可使水壓裂縫數(shù)量增多，從而在頂板中形成水壓裂縫網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)原生節(jié)理裂隙的發(fā)育，破壞其整體性，弱化頂板強(qiáng)度，從而改善頂板的冒落[3]。

1 工程概況

水力致裂控制堅(jiān)硬頂板試驗(yàn)在15112工作面切眼和其順槽超前支護(hù)段內(nèi)進(jìn)行。

1.1 地質(zhì)概況

15112綜采工作面煤層厚度平均3m，煤層傾角3～8°，煤層埋深126～148m，工作面長(zhǎng)度145.5m。煤層頂板為K2灰?guī)r、泥巖，底板為泥巖、鋁土質(zhì)泥巖和砂質(zhì)泥巖。

1.2 生產(chǎn)技術(shù)概況

工作面采用94架ZZ6800/19/38型液壓支架進(jìn)行支護(hù)，支架額定工作阻力6800kN，額定初撐力6185kN，支護(hù)強(qiáng)度為0.8～0.96MPa。工作面端頭采用6架ZZG6800/19/38型過渡支架配合單體柱支護(hù)。15112切眼設(shè)計(jì)長(zhǎng)度150m，為矩形斷面，凈寬為7.0m，凈高為3.0m，方位角1度，采用錨桿、菱形網(wǎng)、塑料網(wǎng)、金屬帶狀錨梁和錨索的聯(lián)合支護(hù)方式支護(hù)。

工作面兩順槽在超前工作面煤壁20m范圍內(nèi)采用兩排單體液壓支柱進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，單體柱初撐力不低于12MPa。

2 水力致裂試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 切眼頂板水力致裂鉆孔布置

因工作面切眼支護(hù)強(qiáng)度較大，上覆頂板巖層堅(jiān)硬致密，為了取得更好的致裂效果，確保工作面推過后切眼頂板能夠及時(shí)垮落，向切眼四周傾斜一定角度施工鉆孔，壓裂錨固體外的頂板，能夠更好的破壞切眼上部巖層。

切眼內(nèi)在前煤壁、距底板2.5m處沿工作面推進(jìn)方向，仰角60度斜向上布置一排鉆孔，鉆孔直徑直徑φ75mm，施工深度7m，孔間距15m。切眼內(nèi)在后煤壁、距底板2.5m處沿工作面推進(jìn)方向的反方向，向后實(shí)體煤方向，仰角80°布置一排鉆孔，鉆孔直徑φ75mm，施工深度12 m，鉆孔間距15m與正幫鉆孔相間布置。在切眼兩端頭，分別向回風(fēng)順槽及運(yùn)輸順槽外幫施工一個(gè)仰角80度、孔徑φ75 mm、孔深12m的鉆孔。鉆孔布置如圖1所示。

圖1 切眼初次放頂水力致裂鉆孔布置

2.2 端頭懸頂水力致裂控制試驗(yàn)方案

圖2 回風(fēng)順槽端頭水力致裂鉆孔布置

在工作面超前支護(hù)段內(nèi)通過水力致裂預(yù)裂頂板，頂板在水壓力作用下產(chǎn)生多條裂縫，破壞頂板的完整性，確保兩端頭頂板在采空區(qū)能夠及時(shí)垮落，同時(shí)被壓裂的頂板巖體之間仍然能夠相互擠壓形成一定的自穩(wěn)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，在兩端頭超前支護(hù)段加強(qiáng)支護(hù)，以確保水力致裂后頂板的安全性。

2.2.1 順槽端頭水力致裂鉆孔布置

在15112工作面回風(fēng)順槽超前支護(hù)段內(nèi)靠近煤柱側(cè)，用錨索鉆機(jī)豎直向上施工一組孔直徑32 mm、孔深10 m、孔間距8 m的鉆孔；在15112工作面回風(fēng)順槽超前支護(hù)段內(nèi)靠近工作面測(cè)，用錨索鉆機(jī)豎直向上施工一組孔直徑32 mm、孔深6 m、孔間距8 m的鉆孔；靠近工作面?zhèn)鹊你@孔和靠近煤柱側(cè)的鉆孔交錯(cuò)布置。鉆孔布置如圖2所示。運(yùn)輸順槽鉆孔布置方式與回風(fēng)順槽相同。

2.2.2 超前支護(hù)加強(qiáng)設(shè)計(jì)

由于所有鉆孔在超前支護(hù)段內(nèi)施工及壓裂，超前支護(hù)段要加強(qiáng)支護(hù)。

由于水力致裂控制堅(jiān)硬頂板的最不利情況是水壓裂縫沿錨索錨固端以上巖層內(nèi)近似水平擴(kuò)展，水力致裂控制區(qū)域的巷道頂板（含錨桿錨固體）完全脫離頂板巖層，所有巖柱重量完全作用于超前支護(hù)段的單體支柱上。所以為了確保致裂的安全性，對(duì)該種最不利情況下進(jìn)行支護(hù)強(qiáng)度核算分析。

巖柱的重量：

式中：G為巖柱的重量；A為致裂段長(zhǎng)度，m；B為巷道寬度，m；H為致裂平均深度，mΓ為巖柱的平均容重，取25000N/m3

超前支護(hù)段的單體柱的支撐力：

式中：F為致裂區(qū)域的單體柱的支撐力，N；c為單排單體支柱數(shù)量；n為單體柱排數(shù)；p為單體柱的額定工作阻力，kN。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，F(xiàn)＜G，即當(dāng)前超前支護(hù)段的單體柱支撐力不足以支撐上覆8 m巖柱的全部重量。因此，在試驗(yàn)時(shí)對(duì)超前支護(hù)致裂段進(jìn)行補(bǔ)充加強(qiáng)支護(hù)，加大單體支柱支護(hù)密度。

如果水力致裂區(qū)域每排打4根單體支柱，每1 m打一排。此時(shí)單體柱的支撐力：

此時(shí)，加強(qiáng)支護(hù)后單體柱支撐力足以支撐8m巖柱的全部重量。

2.3 水力致裂應(yīng)注意的問題

1）為保證本次頂板水力致裂的效果，致裂范圍應(yīng)盡量避開工作面及順槽內(nèi)的斷層破碎帶、地質(zhì)鉆孔、錨索孔等區(qū)域。

2）水力致裂前應(yīng)對(duì)采空區(qū)和致裂區(qū)域附近的斷層進(jìn)行有效探放水，同時(shí)監(jiān)測(cè)致裂期間的瓦斯等有害氣體。

3 致裂效果分析

根據(jù)上述水力致裂設(shè)計(jì)方案，在15112工作面切眼及其順槽超前支護(hù)段現(xiàn)場(chǎng)管路連接和封孔完成后，開泵進(jìn)行水力致裂試驗(yàn)。致裂過程中，時(shí)刻觀察泵站壓力變化。

3.1 頂板來壓特征分析

在水力致裂試驗(yàn)完成后，隨即對(duì)工作面進(jìn)行推進(jìn)。當(dāng)工作面推進(jìn)至14.6m時(shí)，8#～12#和19#～25#支架處頂板開始垮落；工作面推進(jìn)至21.5m時(shí)，工作面各致裂區(qū)域頂板大面積垮落；當(dāng)工作面推進(jìn)至27.3m時(shí)，工作面后方頂板已基本垮落密實(shí)。與相鄰未進(jìn)行水力致裂的15113工作面相比，15112工作面初次垮落步距減少了23m。另一方面，工作面兩端頭在工作面推進(jìn)期間也垮落正常，端頭懸頂問題相比相鄰工作面得到明顯改善。初采期間，工作面及順槽內(nèi)瓦斯均未超限。水力致裂有效解決了切眼及端頭頂板大面積懸頂?shù)膯栴}。

3.2 順槽頂板窺視

圖3 鉆孔致裂窺視效果

實(shí)施水壓致裂后，利用鉆孔窺視儀對(duì)順槽頂板致裂鉆孔孔口段和孔底致裂段分別進(jìn)行了窺視。如圖3所示，由于孔口段基本未受水壓致裂的影響，其原生裂隙較為明顯。而孔底試驗(yàn)段產(chǎn)生了多條橫向和徑向裂縫，從而使順槽頂板的整體性和強(qiáng)度得以降低。表明水壓致裂效果明顯。