18402軌道巷頂板水力壓裂切頂卸壓技術研究

（西山煤電股份有限公司西銘礦 山西 030052）

前言

《煤礦安全規程》規定：“采煤工作面用垮落法管理頂板時，必須及時放頂。頂板不垮落、懸頂距離超過作業規程規定的，必須停止采煤，采取人工強制放頂或者其他措施進行處理”。某礦在工作面作業規程中規定：“采空區采用全部垮落法管理頂板，若機頭未及時垮落，懸頂面積小于10m2時應采取措施（加強回收超前段托片），懸頂面積大于10m2時應進行強制放頂，屆時編制專項安全技術措施，特殊情況不能強制放頂時，應有加強支護的可靠措施和礦壓觀測手段”。目前某礦在2#煤和8#煤工作面回采時，面臨工作面端頭懸頂面積大，超過規程規定，需要采取人工強制放頂措施進行處理。

1.工作面三角區懸頂原因分析

在不同的支撐條件下，工作表面邊緣的基本屋頂變形和破裂類似于矩形薄板結構，因此邊緣基本上為相鄰的兩個側面和另一個形成了固定的支撐。弧形三角形懸掛結構形成自由弧形斜邊。跨接時，彎矩在固支邊和自由邊的交點處最大化，從而造成損壞。隨著工作表面的前進，懸掛板將規律斷裂。斷裂始于兩端的最大彎曲力矩，并沿電弧主應力線方向延伸。形成大面積吊頂的主要原因是，弧形三角形吊頂結構在最大彎矩處的荷載小于基礎屋頂的破壞應力，因此基礎屋頂不能規律地周期性塌陷。發生此現象的原因是頂板本身的特性不易垮落；第二是錨桿和錨索在車頂上的支撐作用，這是由于錨桿和錨索的強大支撐作用，增加了頂板的強度，回采期間由于工作面端頭在超前支護及超前支承壓力雙重影響下承載高、結構易變形，導致退錨困難，頂板支撐系統形成的力作用在弧形的三角形懸掛板上，在直接頂板和工作面的基本頂板之間形成相對緊密的結合，從而導致工作面兩端頭出現大面積懸頂。

2.工作面端頭懸頂處理措施

目前采取人工強制放頂處理工作端頭懸頂面積大的措施主要有三種：

一是及時退錨，退錨能夠降低支護系統對頂板的控制作用，但在頂板穩定時，即便能夠全部退錨，仍難以達到目的，某礦目前不僅面臨頂板穩定，而且退錨也異常困難。

二是采用深孔爆破法。深孔爆破也是常用的方法之一，技術相對成熟，在很多礦區均有應用。但是某礦屬于煤與瓦斯突出礦井，采用爆破方式本身風險較高，而且對爆破程序要求很高，同時爆破時工程量和炸藥量大、安全性差、成本高；一次性引爆的炸藥量大，產生較強震動，容易對工作面設備有一定沖擊，且容易形成大量有毒氣體，對人員安全構成威脅；在應用爆破法控頂時，需采取有力措施防止瓦斯或煤塵爆炸的措施；爆破往往會干擾回采工序，同時采用頂板預裂爆破必須避開頂板初次來壓、周期來壓。

三是針對爆破法存在的一些不足，需要針對巷道頂板控制采取新的方法。近年來，大力發展煤巖體水力壓裂弱化控制技術，已經在各領域得到廣泛應用，礦山生產的安全性也隨之提高，但是水力壓裂采用高壓水施工，對于技術要求高，需要專業隊伍、專業設計才能達到頂板處理要求。

3.水力壓裂卸壓技術

(1)水力壓裂理論

選擇最優鉆孔參數（θAz和θInc），可使裂縫開啟所需壓力為最小值；當應力場給定，比較主應力值的相對大小，便可確定其應力場類型，進而確定鉆孔傾斜角和方位角，使裂縫開啟壓力為最小。

(2)常規壓裂鉆孔布置及參數

傳統的壓裂鉆孔以單側和雙側的方式布置。根據工作面的長度和開挖設備的能力，雙側壓裂時頂板會被均勻削弱，工作面的開挖位置不會很高，將遵循一般中部垮高大的規律，封隔器的行進距離會較短，并且施工簡單。單側布置鉆孔裝置僅需在凹槽中鉆一個孔，從而減少了工作量和生產影響。然而，鉆孔相對較長，對孔的直線度有更高的要求，彎曲使封孔器難以向前移動，從而使施工變得困難。根據硬頂的厚度和層的位置，鉆孔布局可以多層布置。

(3)水力壓裂控頂工藝過程

頂板鉆孔，按照設計角度進行鉆孔至指定深度，如圖1（a）所示。

將封孔器推定指定位置、封孔，如圖1（b）。

連接高壓泵實施壓裂，如圖1（c）。

當上一個階段壓裂完畢后，泄壓，將封孔器后退至下一壓裂位置，封孔，并實施壓裂，重復此程序直至本孔壓裂完畢。

圖1 水力壓裂控制堅硬頂板巖層示意圖

4.水力壓裂切頂卸壓設計

(1)工作面頂板巖性

18402工作面位于8#煤層，8#煤平均厚度約2.51m，局部夾一層炭質泥巖，平均約0.39m；煤層整體向南西傾斜，最大傾角8°，最小傾角2°，平均約5°。

18402工作面上部穩定的巖層主要是灰巖、粉砂巖和中砂巖，灰巖的平均厚度分別為3.34mm、2.42m和1.48m，距離巷道表面分別為0m、10.87m和17.9m，石灰巖堅硬穩定，難以垮落。粉砂巖的厚度分別為2.6m、1.85m、2.24m和11.97m，距離巷道表面分別為3.34m、8.89m、14.88m和19.38m，中砂巖的厚度為2.95m。為了降低工作面端頭懸頂問題，需要弱化巷道頂板深部巖層的完整性和穩定性，為此對頂板上部的石灰巖、粉砂巖進行處理，處理深度需要達到7#煤頂板中的粉砂巖，粉砂巖頂部距離巷道表面深度為31.35m，設計鉆孔的仰角為50°，則可計算得出施工鉆孔深度為40.9m，施工時取深度40m。

(2)水力壓裂卸壓參數

施工順序：采用窺視儀觀察頂板巖層結構→確定壓裂參數→壓裂鉆孔施工→實施壓裂→壓裂監測。

具體巷道施工位置根據現場條件調整。鉆孔參數根據頂板巖層厚度、巖性、礦壓顯現特點與范圍，壓裂鉆孔布置如下圖2所示。

圖2 水力壓裂鉆孔布置圖

5.結語

本文分析了工作面三角區懸頂原因以及工作面端頭懸頂處理措施，深入探討水力壓裂卸壓技術，從施工順序和具體施工位置研究可用于不同層位煤層巷道保護的水力壓裂切頂卸壓設計。18402軌道巷頂板水力壓裂切頂卸壓技術研究切實解決了工作面端頭懸頂問題，切頂后頂板垮落效果好，為實際工程實踐提供了可靠見解。