“三硬”煤層條件下水壓致裂卸壓防沖效果分析

張凱華

（山西大平煤業有限公司，山西長治046200）

賦存在“三硬”條件的煤層在開采過程中，回采空間煤巖體易儲存大量彈性能，在上覆巖層破斷影響下，極易出現彈性能的大量短時間釋放，對回采空間形成大范圍的破壞，容易誘發沖擊地壓。預先弱化頂板是防治頂板動力災害發生的主要手段，其原理是在堅硬頂板中預制出微裂隙，在上覆巖層壓力作用下，巖層中預制裂隙發生擴展、貫通，促進堅硬巖層垮落，減弱大面積懸頂突然垮落產生的彈性勢能釋放。本文主要介紹了頂板水壓致裂技術的工程應用及效果分析，并與深孔斷頂爆破技術進行對比。

1 水壓致裂技術簡介

頂板水壓致裂技術是在堅硬巖層中預制定向裂縫，如圖1所示。在較短的時間內，采用高壓水作用于裂縫，使預制裂縫發生擴展，與巖層中原生裂隙發生貫通，弱化堅硬巖層整體性，使其在外力作用下更容易破斷垮落，從而達到防治沖擊地壓的目的。

圖1 頂板水力壓裂原理圖

2 水壓致裂現場工程應用

2.1 工作面情況

3111工作面位于一采區北翼中部，如圖2所示，東側為3109工作面采空區，西部為未開采區域，南部為三盤區大巷保護煤柱，北部為未開采區域。工作面主采3-1煤層，平均埋深480～530m，平均煤層厚度5.56m，煤層傾角0°～3°，平均1.5°。工作面最大瓦斯涌出量為25.11m3/min。

工作面切眼及兩回采巷道均采用錨網索支護，工作面直接頂為平均厚度8.12m的砂質泥巖，上覆厚度為10.69m與31.03m的細粒砂巖與中粒砂巖，強度較大、完整性好，不易垮落，如不采取弱化措施，工作面推采期間易發生強烈的礦壓顯現，影響工作面回采安全。

圖2 3111工作面相對位置圖

2.2 水壓致裂施工參數

垮落帶巖層厚度是垮落碎脹后能充滿采空區自由空間的巖層總厚度。根據3111工作面運輸順槽頂板巖層賦存條件，設計鉆孔致裂層位如圖3所示。致裂鉆孔傾角為50°，孔深為41m，致裂深度分別為7m、27m和41m，保證其中上覆巖層自重產生的拉應力作用下發生破斷。根據現場工程試驗及相關工程經驗，確定鉆孔直徑48mm，鉆孔間距為12m。

3 頂板水壓致裂效果檢驗方法

水壓致裂斷頂卸壓效果可采用以下5種方法進行檢驗：

（1）相鄰觀測孔檢驗：相隔一定距離平行于致裂孔施工一觀測孔，通常設計觀測孔深度較壓裂孔深5m，通過觀察壓裂過程中，觀測孔內是否有壓裂液流出來判斷卸壓效果。

（2）壓裂孔窺視：通過鉆孔電視設備，對壓裂孔致裂前后壓裂位置孔壁裂隙的發育情況進行對比，分析壓裂位置裂隙發育情況。

（3）隨壓過程動力現象分析：水壓致裂區域一般為應力集中區域，該區域巖體已儲存大量彈性能，在高壓液體作用下，巖石發生破裂的同時還會伴隨動力現象，如巖石破裂的劈裂聲；同時致裂會影響該區域煤炮的強度和頻率。

（4）監測數據分析：通過對比分析采取水壓致裂和未采取水壓致裂區域的微震、應力等參量變化情況，分析、判斷頂板水壓致裂效果。

（5）現場礦壓顯現對比：通過對比工作面在致裂斷頂區域與未進行致裂斷頂區域推采期間的動壓顯現現象，分析斷頂預裂效果。

圖3 水壓致裂方案設計圖

4 微震數據分析

（1）微震數據統計分析。對3111工作面在未斷頂、爆破斷頂、水壓致裂斷頂等不同區域推采期間不同能級微震事件進行統計，如表1、圖4所示。

表1 3111工作面不同斷頂區域微震事件統計表

由表1、圖4可以看出，未斷頂、爆破斷頂、水壓致裂斷頂三個區域，小能量微震事件依次增多，102J以上微震事件依次減少，表明工作面在頂板水力壓裂區域推采期間，微震活動以102J以下小能量微震事件為主，能量得以分解、均勻釋放，發生大能量微震事件的危險性顯著降低。

（2）微震應力云圖分析。通過3111工作面在不同斷頂區域發生的微震事件，反演得出微震應力云圖如圖5所示。

通過對比3111回風順槽水壓致裂區域與爆破斷頂區域的微震云圖，與爆破頂板相對比，3111工作面在水壓致裂區域推采期間，微震活動明顯減弱，主要以小能量微震事件為主，且回風順槽趨于平穩，巷道變形量也明顯減小，表明頂板水壓致裂起到了更好的斷頂效果。

圖4 3111工作面不同斷頂區域微震事件統計柱狀圖

4 結論

（1）頂板水壓致裂在“三硬”煤層條件下頂板治理中效果良好，在一定程度上要好于爆破斷頂。

圖5 3111回風順槽不同斷頂區域微震應力云圖

（2）頂板水壓致裂對于砂巖層致裂壓力約為25MPa，致裂橫向裂隙發育范圍超過15m，縱向裂隙發育范圍超過9m，且頂板裂隙中充滿水后，可以長時間浸潤、弱化頂板。

（3）工作面在頂板水壓致裂區域推采期間，102J以下小能量微震事件顯著增加，大能量微震事件明顯減少，表明微震活動以微裂隙發育為主，頂板預裂效果良好。