“橫切-縱爆”復合卸壓機制研究與應用

司瑞江，趙璐璐，張廣輝，左杰海，許利軍，張奧澤，焦 陽，李東亮

（1.晉能控股煤業集團晉城煤炭事業部 趙莊煤業有限責任公司，山西 長治 046605；2.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院,北京 100013;3.山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司 技術研究院，山西 晉城 048006）

堅硬頂板具有強度高、易儲能、難垮落的屬性，是誘發強礦壓的主要因素之一。針對堅硬頂板誘發的強礦壓災害，國內外學者圍繞了頂板水力壓裂和深孔爆破開展了大量研究應用工作。文獻［1－3］圍繞壓裂縫隙擴展機理，不同區域頂板水力壓裂現場應用開展了大量研究；文獻［4］提出了深孔雙向聚能拉伸爆破新技術，為后續聚能爆破引進治理強礦壓奠定了理論基礎；文獻［5－7］圍繞頂板深孔聚能爆破開展了切頂卸壓圍巖控制研究與應用，開拓了頂板聚能爆破在切頂留巷、切頂卸壓中的應用；文獻［8］利用水力壓裂－深孔預裂爆破復合工藝，提高瓦斯的抽采效率。以上研究加深了對頂板水力壓裂和聚能爆破的認知，提供了治理現場難題的方案，但在運用頂板水力壓裂和深孔爆破復合卸壓，治理堅硬交互頂板的方向鮮有報道。為此，針對趙莊煤業1311工作面頂板強度高、整體性好，各類巖性交錯發育的現狀，提出在鉆孔軸向上進行水力壓裂預制橫向裂隙，在鉆孔縱向上開展聚能爆破預制鉆孔軸向方向裂隙，實現“橫切-縱爆”復合卸壓工藝。

1 “橫切-縱爆”復合卸壓機制

1.1 壓裂階段巖體裂紋擴展分析

煤巖深埋于地下，處于三維應力受壓狀態，在不考慮附近構造應力時，其主要受遠場應力作用，即主要受到垂直應力和水平地應力作用，而在煤巖形成過程中存在大量隨機分布的微裂隙。采用Taylor 方法忽略微裂紋之間的相互作用, 假設裂隙處于彈性體中，微裂隙受到的載荷等于遠場應力[9]。力學模型如圖1，圖中微裂隙與最大主應力的夾角為β。

圖1 煤巖微裂隙受力圖Fig.1 Stress diagram of coal rock micro-fracture

在考慮水壓力的作用下，結合Terzaghi 有效應力原理，則作用在裂紋方向上的力為：

式中：σy為正應力；τxy為剪應力；σv為垂向地應力；σh為水平地應力；p 為微裂隙水壓力。

式中：R 為局部損傷化長度；σ0為損傷局部化內的跌落應力；a 為微裂紋初始長度。

1.2 爆破階段裂紋發育準則

依據損傷力學理論[9]，爆破瞬間在爆轟氣體的作用下形成的宏觀裂紋平均半徑a0為：

通過以上分析可得，“橫切-縱爆”工藝中水力壓裂實現巖體的局部損傷，局部損傷化長度為R；在爆破階段暴轟氣體形成宏觀裂紋半徑為a0；基于R和a0的賦存，在爆破氣體持續作用階段，裂紋二次擴展半徑r 值進一步擴張。

綜上所述“橫切-縱爆”卸壓工藝，定向水力壓裂和爆破可實現鉆孔內裂隙范圍擴大，破壞頂板完整性和整體性，弱化堅硬頂板應力傳遞和能量儲存的屬性，實現復合堅硬頂板在回采后順利及時垮落，避免大面積懸頂瞬間垮落造成的強礦壓事故。

2 “橫切-縱爆”卸壓工藝現場應用

2.1 1311 工作面概況

趙莊煤業1311 工作面主采3#煤層，蓋山厚度約為700 m，煤層平均厚度為4.8 m，工作面回采長度1 446 m，傾向長度為249 m；通過頂板取心繪制頂板綜合柱狀圖如圖2，經測定砂巖和砂質泥巖單軸抗壓強度為73、42 MPa。頂板強度高，承載能力強，在工作面回采后，易形成懸頂對煤層形成夾持和擠壓作用，在巷道或采面形成應力集中區，在超過極限靜載或動載擾動疊加靜載條件下，容易造成巷道圍巖彈性變形能的瞬間釋放，造成強礦壓事故。

圖2 1311 工作面綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive histogram of 1311 working face

2.2 水力壓裂和深孔爆破基礎試驗

趙莊煤業最大水平主應力方向為N36.67°W，考慮方便施工，因此頂板預裂孔方位角與巷道成30°夾角，即壓裂鉆孔與煤巖最大主應力方向接近一致，提升裂隙擴展效率，而在爆破階段二次裂紋擴展方向在聚能管定向約束和壓裂縫隙R 的基礎上沿最大主應力方向進一步擴展擴展。

2.2.1 頂板定向水力壓裂工藝

定向水力壓裂工藝中首先利用定向刀具在頂板內沿鉆孔徑向制備“楔形”應力集中尖端，為高壓液契開堅硬頂板提供條件。高壓水在預割橫縫尖端處形成應力集中，促使頂板裂隙逐步產生、擴展[12]。預割橫縫如圖3。

圖3 頂板預割橫縫示意圖Fig.3 Diagram of pre-cut cross seam in roof

通過在13091 巷進行水力壓裂孔孔間距的試驗發現孔間距為5 m 時，注水時間在16～20 min 時試驗孔有水流出，注水壓力由30 MPa 降到20 MPa 左右，即單個壓裂鉆孔裂隙擴展半徑至少為5 m，因此2 個壓裂鉆孔間距在10 m 內，便可實現壓裂縫隙交匯貫通。壓裂鉆孔孔間距試驗示意圖如圖4。

圖4 壓裂鉆孔孔間距試驗示意圖Fig.4 Diagram of fracturing borehole spacing test

綜上所述，30 MPa 注水壓力能夠實現頂板裂隙縫隙預制，但難以預制沿鉆孔軸向的高密度縫隙，因此需要在此基礎上增加聚能爆破工藝。

2.2.2 頂板聚能爆破工藝

炸藥爆炸后，沖擊波首先直接作用于雙向張拉伸聚能裝置開口對應的孔壁上，使其產生初始裂隙。隨后，在爆生氣體的作用下，炮孔及孔壁周圍形成靜應力場。靜應力場的作用下，炮孔徑向受壓應力作用。在聚能孔的引導作用下，爆生氣體涌入沖擊波作用產生的初始微裂隙，產生氣楔作用，由此在垂直初始裂隙方向產生張拉作用力，并出現應力集中[4,13]，雙向聚能拉張預裂爆破特征圖如圖5。

圖5 雙向聚能拉張預裂爆破特征圖Fig.5 Characteristic diagram of bi-directional shaped charge tension pre-splitting blasting

為探究合理爆破間距，在13092 巷沿同方位角、傾角布置4 個爆破試驗孔，孔間距分別為2、3、4 m；同時在爆破孔中間布置3 個效果檢測孔，爆破鉆孔內均裝15 kg 炸藥和10 根聚能爆破管。

爆破后利用鉆孔窺視儀檢驗3 個檢驗孔中裂隙密度，發現孔間距2 m 時孔內裂隙密集且連貫，孔間距為3 m 時鉆孔內裂隙密集，孔間距4 m 時鉆孔內裂隙較少。綜上所述，爆破在鉆孔裝藥段軸向裂隙發育較好，但在鉆孔徑向上裂隙擴展范圍較小。

2.3 “橫切-縱爆”復合卸壓技術參數設定

根據頂板巖性及厚度分布，擬定在煤層上方26.8 m 處交互層和18.2 m 處砂質泥巖中進行水力壓裂，同時利用聚能爆破管在煤層上方12.6～26.8 m 范圍內開展頂板聚能爆破工作，壓裂層高與爆破層高相互重疊，最大程度上實現“橫切-縱爆”卸壓。

基于1309 工作面開展的工業性試驗，將壓裂孔間距設定為9 m；在壓裂孔壓裂后為提升橫切-縱爆效果，再進行鉆孔爆破，爆破孔間距設定為3 m，基于現場卸壓效果靈活調整是否在壓裂孔位置重新布設爆破孔；13111 巷和13113 巷均進行橫切-縱爆頂板弱化處理，13111 巷2 類鉆孔布置平面圖如圖6。頂板定向水力壓裂和聚能爆破施工參數表見表1。

圖6 水力壓裂孔和爆破孔布置平面圖Fig.6 Layout plan of roof directional hydraulic fracturing hole and shaped charge blasting hole

表1 頂板定向水力壓裂和聚能爆破施工參數表Table 1 Construction parameters of roof directional hydraulic fracturing and shaped charge blasting

為實現在煤柱上方頂板內預制“斷裂線”，促使采空區邊界頂板由固支端連接向簡支連接轉變，實現頂板有序下沉、旋轉、處矸，并最大程度較小側向懸頂距，因此將鉆孔布置方向選定為煤柱側。

橫切-縱爆復合卸壓充分利用了壓裂產生的預制裂隙，再借助爆破沖擊進一步擴充裂隙發育范圍。同時克服水力壓裂裂隙發育半徑大，但裂隙點少，爆破孔內裂隙點密集，但裂隙半徑小的缺點，實現了在鉆孔“軸向-徑向”上預裂卸壓。

3 頂板治理效果分析

3.1 頂板預制裂隙窺視

趙莊煤業留設45 m 區段煤柱，寬煤柱內存在大尺寸彈性核對頂板進行支撐，上工作面采空區頂板裂隙未能發育至沿空巷道；在13111 巷和13113 巷開展橫切-縱爆卸壓工藝后，分別進行頂板裂隙窺視，預裂效果基本一致。13113 巷窺視孔內主要裂隙發育情況如圖7；繪制的縫隙位置壓裂位置和爆破段位置層位分布圖如圖8。

圖7 13113 巷1#觀測孔內部分裂隙分布情況Fig.7 Distribution of cracks in observation hole 1# of 13113 roadway

圖8 頂板裂隙與爆破位置、壓裂位置相關關系Fig.8 The relationship between roof crack and blasting position and fracturing position

由圖7 和圖8 可知，頂板內裂隙主要在14.49 m至25.7 m 范圍，裂隙發育位置對應爆破孔裝藥段和頂板壓裂孔壓裂處，表明爆破孔在壓裂縫隙的基礎上起到頂板預裂的作用，實現了橫切-縱爆復合預裂卸壓效果。

3.2 巷道頂板離層分析

1311 工作面三次見方區域為切眼前方698 m至938 m，在煤層走向上13111 巷和13113 巷各布置5 個頂板離層觀測點；1310 工作面巷道未卸壓區域和1311 工作面巷道水力壓裂-深孔爆破復合卸壓區域頂板離層監測數據曲線如圖9。

圖9 典型頂板離層觀測點曲線對比圖Fig.9 Curves diagram of typical roof separation observation points in 13111 lane

由圖9 可以看出，相比1310 面，1311 工作面巷道采取頂板水力壓裂-深孔爆破復合卸壓工藝后，巷道應力集中程度緩解，頂板離層量降低，采場巷道圍巖缺少了強礦壓發生的應力靜載條件。

4 結 語

1）基于水力壓裂實現的局部損傷長度R 和爆破起爆階段暴轟氣體形成宏觀裂紋半徑a0；在爆破氣體持續作用階段，裂紋二次擴展半徑r 值將在R 和a0的基礎上進一步擴展，強化頂板弱化效果，明確了“橫切-縱爆”卸壓機制。

2）通過在1309 工作面開展水力壓裂和聚能爆破預裂半徑基礎試驗，明確了2 種工藝頂板預裂半徑，提示了“高壓水預制徑向裂隙”和“爆破預制軸向裂隙”的特征；結合1311 工作面地質條件設定了“橫切-縱爆”技術施工參數，并開展了工業性試驗。

3）通過對檢驗孔進行鉆孔窺視，確立“橫切-縱爆”預裂工藝能夠有效實現頂板裂隙擴展；同時基于頂板離層儀的數據，可得出通過“橫切-縱爆”復合頂板卸壓技術，減緩了超前支護段巷道圍巖變形，降低了巷道圍巖應力集中程度，消除了強礦壓發生的靜載基礎。