綜放工作面初采水壓致裂技術(shù)的應(yīng)用

秦會(huì)錦

(山西潞安集團(tuán) 蒲縣開拓煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041200)

在綜放工作面初采過程中，頂煤及頂板仍然采用支架反復(fù)擾動(dòng)導(dǎo)致頂煤發(fā)生破壞，直至垮落。大量實(shí)踐表明[1-4]，采用支架擾動(dòng)的方法對(duì)于頂煤、頂板破壞垮落的作用有限。若頂煤及頂板不能及時(shí)垮落，會(huì)導(dǎo)致工作面采空區(qū)后方懸頂面積增大，頂煤、頂板初次垮落步距增加，一旦垮落，會(huì)形成颶風(fēng)或者釋放出大量瓦斯，影響礦井的安全生產(chǎn)。目前常用的方法主要有深孔預(yù)裂爆破法和水壓致裂法兩種[5]，前者對(duì)開切眼頂煤及頂板進(jìn)行裝藥爆破，提前破壞頂板完整性，達(dá)到縮短懸頂面積的效果，然而爆破實(shí)施過程中存在極大的安全隱患。以潞安五陽煤礦7602綜放工作面初采頂板管理為研究對(duì)象，通過水壓致裂技術(shù)使得頂煤、頂板及時(shí)垮落，以減小初采期間懸頂面積，保證礦井的安全開采。

1 工程概況

山西潞安集團(tuán)五陽煤礦7602綜放工作面，位于3#煤層76采區(qū)，煤層平均厚度6 m，傾角10°，主要采用綜合放頂煤開采工藝，工作面斜長260 m，設(shè)計(jì)采高3 m，放頂煤高3 m，采放比1∶1.工作面開采區(qū)域內(nèi)的3#煤層結(jié)構(gòu)簡單，頂板結(jié)構(gòu)完整，基本頂為細(xì)粒砂巖，淺灰色、石英為主、硅質(zhì)膠結(jié)，平均厚度7.98 m，普式系數(shù)f=6～12.工作面直接頂為砂質(zhì)泥巖，黑色、質(zhì)勻、致密，平均厚度4.05 m，普式系數(shù)f=4～5.直接底為砂質(zhì)泥巖，黑色、質(zhì)勻、致密，平均厚度3.49 m，普式系數(shù)f=4～5.工作面綜合柱狀見圖1.

圖1 7602工作面綜合柱狀圖

2 水壓致裂機(jī)理

水壓致裂就是通過在煤巖體內(nèi)布置鉆孔，在孔內(nèi)選定某一段用封隔器密封兩端，然后利用高壓水泵向孔內(nèi)注入高壓水，鉆孔周圍煤巖體在孔內(nèi)高壓水作用下，發(fā)生破壞，煤巖體內(nèi)部裂隙不斷擴(kuò)展，最終達(dá)到破壞煤巖體完整性的目的。

將鉆孔周圍巖體假定為均質(zhì)的、各向同性的，假想成一塊無限大的巖石平板，該平板主要受2個(gè)主應(yīng)力的作用，即:最大水平主應(yīng)σmax和最小水平主應(yīng)力σmin.在水壓致裂初期，鉆孔內(nèi)出現(xiàn)的裂隙始終與孔壁垂直，且該破裂面與σmin垂直。當(dāng)巖石某一水平主應(yīng)力為巖體周圍應(yīng)力的最小值，則巖石破裂面沿水平方向，當(dāng)巖石某一垂直主應(yīng)力為巖體周圍應(yīng)力的最小值，則巖石破裂面沿垂直方向。隨著水壓致裂的持續(xù)進(jìn)行，巖體內(nèi)部圍巖應(yīng)力不斷變化，最小應(yīng)力方向也在不斷變化，進(jìn)而會(huì)在煤巖體內(nèi)部產(chǎn)生縱橫交錯(cuò)的裂隙，加快煤巖體破壞，使得頂煤、頂板及時(shí)提前垮落，縮短工作面頂煤及頂板垮落步距，避免因頂煤、頂板大面積垮落而引發(fā)安全事故。

3 水壓致裂方案設(shè)計(jì)

根據(jù)工作面頂板煤巖物理力學(xué)特性，對(duì)7602工作面進(jìn)行水壓致裂方案設(shè)計(jì)，在工作面回采前通過水壓致裂，破壞頂煤、頂板的完整性，在工作面回采過程中，頂煤、頂板及時(shí)垮落。

由于頂板堅(jiān)硬，采用橫向切槽的特殊鉆頭，預(yù)制橫向切槽，使高壓水通過該切槽逐漸壓裂頂板，將特制的兩段封隔器送至切槽處，利用泵加壓使得高壓膠囊封隔器處膠筒膨脹，達(dá)到封孔目的。注水管路連接3BZ6.7/63-200型高壓泵實(shí)施壓裂，先將泵壓力調(diào)至2～5 MPa檢查密封情況，由于頂板較為堅(jiān)硬，因此將壓力調(diào)整到40～50 MPa進(jìn)行壓裂，直到卸壓為止。水壓致裂堅(jiān)硬頂板巖層示意圖見圖2.

圖2 水壓致裂堅(jiān)硬頂板巖層示意圖

工作面開切眼頂板水壓致裂孔布置見圖3.鉆孔采用全液壓ZDY1200S鉆機(jī)及配套鉆機(jī)平臺(tái)進(jìn)行施工，鉆桿長1.0 m，d50 mm，采用d65 mm鉆頭。提前在7602工作面開切眼頂板施工一排水壓致裂孔，孔深17.4 m，傾角60°，共計(jì)施工鉆孔16個(gè)，編號(hào)1#—16#.依次對(duì)鉆孔1#—16#進(jìn)行壓裂，單孔壓裂次數(shù)最多為8次，當(dāng)鉆孔出現(xiàn)明顯卸壓，周邊鉆孔或錨索孔出現(xiàn)大量滲水時(shí)，壓裂結(jié)束。整個(gè)水壓致裂過程中，關(guān)注水壓變化，確定壓裂效果。

圖3 工作面水壓致裂鉆孔布置圖

水壓致裂過程中壓力變化圖見圖4.由圖4可知，7602綜放工作面壓裂水壓變化規(guī)律，隨著壓裂時(shí)間的持續(xù)，水壓開始增長達(dá)到最大值，高壓使得頂板出現(xiàn)了新增裂縫，并開始擴(kuò)展，水壓出現(xiàn)了小幅度降低，裂縫不斷向四周圍擴(kuò)散，水壓突然急劇下降，說明裂縫已與相鄰鉆孔或其他頂板裂隙相互貫通，出現(xiàn)了明顯的卸壓情況，此時(shí)壓裂過程結(jié)束。

圖4 水壓變化圖

4 致裂效果分析

對(duì)7602工作面進(jìn)行水壓致裂后，對(duì)頂煤及頂板破壞情況進(jìn)行鉆孔窺視，見圖5.由圖5可知，實(shí)施水壓預(yù)裂后，工作面頂煤內(nèi)部產(chǎn)生了明顯的裂縫，尤其縱向裂縫最為明顯；頂板同樣產(chǎn)生了多條縱橫相間的裂縫，由于裂縫的產(chǎn)生，使得煤巖體強(qiáng)度弱化，隨工作面推進(jìn)裂縫不斷向周圍擴(kuò)展，最終導(dǎo)致煤巖體破壞、垮落，縮短了頂煤及初次來壓步距。

圖5 水壓致裂后頂煤及頂板破壞情況圖

7601工作面與7602工作面相鄰，地質(zhì)條件、開采技術(shù)條件相同，工作面斜長260 m，設(shè)計(jì)采高3 m，放頂煤高3 m，初采期間頂板采用自然垮落法進(jìn)行管理，未實(shí)施水壓致裂技術(shù)。對(duì)兩工作面初次來壓期間礦壓特征進(jìn)行了對(duì)比，見表1.由表1可以看出，實(shí)施水壓致裂技術(shù)后7602工作面頂煤冒放性明顯提高，頂煤垮落步距縮短了4.1 m，提高了資源回收率；頂板來壓步距縮短了7.8 m，來壓期間平均工作阻力減小了836 kN/架，動(dòng)載系數(shù)降低了0.11，初次來壓期間礦壓強(qiáng)度明顯減弱。因此，對(duì)綜放工作面頂煤及頂板采用水壓致裂技術(shù)，在提高頂煤冒放性，增加資源回收率的同時(shí)，減小了頂板懸頂面積，減弱了初次來壓強(qiáng)度，保證了工作面的安全生產(chǎn)。

表1 7601與7602工作面初次來壓情況對(duì)比表

5 結(jié) 論

1)根據(jù)頂板煤巖物理力學(xué)特性，確定7602綜放工作面水壓致裂孔的布置方式、封孔壓力等相關(guān)參數(shù)。

2)對(duì)致裂期間水壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過水壓變化反應(yīng)出了頂板巖層狀態(tài)。當(dāng)水壓突然急劇下降，說明裂縫已與相鄰鉆孔或其他頂板裂隙相互貫通，出現(xiàn)了明顯的卸壓情況，此時(shí)壓裂過程結(jié)束。

3)通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，實(shí)施水壓致裂技術(shù)后工作面頂煤冒放性明顯提高，頂煤垮落步距縮短了4.1 m，頂板來壓步距縮短了7.8 m，來壓期間平均工作阻力減小了836 kN/架，動(dòng)載系數(shù)降低了0.11，初次來壓期間礦壓強(qiáng)度明顯減弱。