基于水壓致裂的采場(chǎng)堅(jiān)硬頂板控制技術(shù)應(yīng)用

降承春

（山西焦煤汾西礦業(yè)水峪煤業(yè)，山西 孝義 032300）

0 引言

在井工煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，采掘場(chǎng)所上覆堅(jiān)硬頂板引發(fā)的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)會(huì)直接影響礦井安全生產(chǎn)，容易引發(fā)各類安全事故。近年來(lái)，隨著支護(hù)工藝及裝備管理水平的不斷發(fā)展，煤礦頂板事故發(fā)生數(shù)量得到顯著控制，但由于頂板事故面多點(diǎn)廣，零星頂板事故仍較為多發(fā)，尤其是在頂板較堅(jiān)硬、地應(yīng)力較高等情況下，由于堅(jiān)硬頂板具有厚度大、裂隙不發(fā)育、自穩(wěn)能力強(qiáng)等特征，容易出現(xiàn)采空區(qū)大面積懸頂、厚硬頂板突然垮冒等現(xiàn)象，并引發(fā)采場(chǎng)強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)，甚至造成人員傷亡等惡性事故。因此，當(dāng)采場(chǎng)面臨堅(jiān)硬頂板條件時(shí)，必須高度重視頂板管理工作，必要時(shí)還需要采取措施對(duì)頂板進(jìn)行人為弱化操作，并逐漸發(fā)展應(yīng)用了爆破強(qiáng)制放頂、注水弱化頂板、水力壓裂頂板等措施[1-4]。針對(duì)汾西礦業(yè)集團(tuán)某礦2202（全文簡(jiǎn)稱2202）工作面堅(jiān)硬頂板控制難題，基于其特定的地質(zhì)條件及礦壓顯現(xiàn)特征，制定水力壓裂頂板弱化方案，并進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，確保了工作面的安全生產(chǎn)，并為同類工程難題提供相應(yīng)參考。

1 2202 工作面概況

汾西礦業(yè)集團(tuán)某礦2202 工作面主采2 號(hào)煤層，本工作面范圍內(nèi)，煤層賦存及整體結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，平均厚度為6.12 m，平均傾角為8.3°，平均埋深約為350 m。2202 工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度1 100 m，傾向長(zhǎng)度150 m，采用綜采放頂煤工藝，機(jī)采高度3.7 m，放煤高度2.4 m，走向長(zhǎng)壁后退式采煤法，全部垮落法管理頂板，使用的主力液壓支架型號(hào)為ZFY18000/25/39D。工作面頂?shù)装遒x存詳情如圖1 所示，其頂板賦存的主要特征是直接頂為8 m 厚的砂質(zhì)泥巖，老頂為12 m 厚的粉砂巖，老頂以上為20 m 厚的砂質(zhì)泥巖，頂板整體厚度較大，硬度較大，為典型的厚硬頂板。

圖1 2202 工作面頂?shù)装遒x存情況

在工作面初采階段，重點(diǎn)實(shí)施了采場(chǎng)礦壓觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果表明，工作面呈現(xiàn)出較為典型的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)特征，主要表現(xiàn)在：初次來(lái)壓步距達(dá)到45 m，最長(zhǎng)持續(xù)來(lái)壓距離達(dá)到5.5 m，液壓支架最大工作阻力達(dá)到41.2 MPa，動(dòng)載系數(shù)達(dá)到1.85，同時(shí)，初次來(lái)壓期間，工作面煤壁大范圍片幫，48%的液壓支架安全閥開啟；統(tǒng)計(jì)到前5 次周期來(lái)壓步距平均達(dá)到24.4 m，持續(xù)距離2.2～4.3 m，支架工作阻力平均為25～41 MPa，平均為24 MPa。總體來(lái)說(shuō)，工作面初次來(lái)壓及周期來(lái)壓強(qiáng)度均較劇烈，來(lái)壓步距大，采空區(qū)常出現(xiàn)明顯懸頂，需要對(duì)堅(jiān)硬頂板采取針對(duì)性弱化措施。

2 水壓致裂技術(shù)原理及適用性分析

2.1 堅(jiān)硬頂板懸頂特征分析

隨著工作面的向前回采，正常情況下直接頂隨采隨冒，老頂周期性破斷，形成常規(guī)性的采場(chǎng)來(lái)壓現(xiàn)象。而在堅(jiān)硬頂板條件下，由于煤層上方賦存了堅(jiān)硬、厚層、完整的直接頂及老頂，采場(chǎng)向前推進(jìn)后，直接頂垮落不及時(shí)，老頂斷裂及回轉(zhuǎn)下沉滯后，形成了典型的懸頂效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致支架—圍巖系統(tǒng)承擔(dān)更大的上部載荷，而且當(dāng)大面積懸頂突然垮落時(shí)，又會(huì)形成較強(qiáng)烈的動(dòng)壓載荷，是為工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈的重要影響因素。同時(shí)，堅(jiān)硬難冒頂板的活動(dòng)規(guī)律不同于穩(wěn)定頂板，其主要特點(diǎn)是活動(dòng)范圍大，波及的層位高，作用時(shí)間集中，間隔時(shí)間較長(zhǎng)，而且周期性較為明顯。當(dāng)頂板懸頂面積不斷增大時(shí)，采場(chǎng)載荷逐漸積累，出現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定增長(zhǎng)期，當(dāng)相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期過(guò)后，頂板就會(huì)發(fā)生大面積的塌落，這個(gè)時(shí)期內(nèi)，頂板活動(dòng)威力大、范圍廣，經(jīng)常造成推垮工作面事故，危害較大。

2.2 水壓致裂技術(shù)原理及適用性分析

水力壓裂技術(shù)是煤層增透瓦斯高效抽采和堅(jiān)硬頂板強(qiáng)礦壓災(zāi)害治理的有效手段。“十三五”以來(lái)，煤礦井下定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂技術(shù)與裝備研發(fā)及工程示范應(yīng)用等方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，在煤層區(qū)域增透瓦斯高效抽采、堅(jiān)硬頂板強(qiáng)礦壓（沖擊地壓）區(qū)域弱化治理、上覆遺留煤柱卸壓防治和堅(jiān)硬煤層放頂開采等方面取得了較好應(yīng)用效果[5-8]。對(duì)本工作面來(lái)說(shuō)，若達(dá)到水力壓裂降低礦壓顯現(xiàn)程度的目的，首先需要確定壓裂的頂板層位，然后確定鉆孔參數(shù)及施工工藝，最后實(shí)施頂板注水施工。按照本工作面的頂板條件，需要對(duì)老頂粉砂巖實(shí)施水力壓裂，主要施工位置為工作面中部，鉆孔及注水位置選定在工作面運(yùn)輸順槽。

3 水壓致裂方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用

基于工作面的頂板特征及工作面生產(chǎn)條件，按照關(guān)于水壓致裂技術(shù)原理及適用性的分析，對(duì)2202 工作面水壓致裂頂板弱化方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 水壓致裂頂板弱化方案設(shè)計(jì)

按照以上分析，結(jié)合礦井已有水力壓力施工經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)在工作面運(yùn)輸順槽內(nèi)布置鉆場(chǎng)實(shí)施水力壓裂鉆孔施工及注水施工，具體為：針對(duì)某個(gè)需要弱化的懸頂周期，一次注水操作需要成對(duì)布置2 個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆孔設(shè)3 個(gè)鉆孔，共計(jì)6 個(gè)鉆孔，孔徑設(shè)計(jì)為96 mm，各鉆孔長(zhǎng)度根據(jù)目標(biāo)層位及實(shí)際情況進(jìn)行確定，注水壓力最大為31 MPa，最小為10 MPa，根據(jù)實(shí)際操作過(guò)程進(jìn)行調(diào)整。例如，工作面推采過(guò)程中某次水力壓裂施工，具體的工作方案及鉆孔參數(shù)如表1 所示。

表1 水壓致裂鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)表

最后需要制定水力壓裂的整個(gè)工作流程，如圖2所示，壓裂方案的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括壓裂設(shè)備選型及安裝調(diào)試，工具組合，壓力、排量、注水量，監(jiān)測(cè)監(jiān)控和安全技術(shù)措施。根據(jù)既定方案，分段實(shí)施水力壓裂施工，按照流程對(duì)各個(gè)鉆孔進(jìn)行注水，直至壓裂結(jié)束。

圖2 水壓致裂工藝流程設(shè)計(jì)示意圖

3.2 水壓致裂后礦壓顯現(xiàn)控制效果分析

按照設(shè)計(jì)方案實(shí)施鉆孔施工及注水施工，以1 號(hào)鉆孔為例，鉆孔施工完畢后，啟動(dòng)注水壓力泵進(jìn)行注水，水壓迅速增大至峰值31 MPa，并逐漸穩(wěn)定在24 MPa 進(jìn)行常規(guī)性注水，注水過(guò)程即對(duì)鉆孔內(nèi)裂隙進(jìn)行擴(kuò)展，此間壓力會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)變化，最大壓降值達(dá)到6.5 MPa，1 號(hào)鉆孔的注水時(shí)長(zhǎng)達(dá)到120 min 后壓降基本降至0，隨后停止作業(yè)。

依照此方案，對(duì)2～6 號(hào)鉆孔分別實(shí)施注水壓裂，并對(duì)壓裂前后工作面的主要礦壓指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比的指標(biāo)包括來(lái)壓步距、最大工作阻力以及動(dòng)載系數(shù)，對(duì)比情況如表2 所示，可以看出：實(shí)施水壓致裂前，工作面某次典型周期來(lái)壓的步距平均值為24.4 m，最大工作阻力及最大動(dòng)載系數(shù)出現(xiàn)在工作面中部，分別為41 MPa 及1.84，平均值為37.4 MPa 及1.68。而實(shí)施水壓致裂后，各項(xiàng)礦壓指標(biāo)均有明顯改善，其中，致裂后某次典型周期來(lái)壓的平均步距值降為21.6 m，降幅為11.5%；最大工作阻力平均值降為34.2 MPa，降幅為8.6%；最大動(dòng)載系數(shù)平均值降為1.37，降幅為18.5%。可見，實(shí)施水壓致裂后，工作面來(lái)壓強(qiáng)度整體降幅明顯，且在整個(gè)工作面范圍內(nèi)分布更為均衡，壓裂效果較好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

表2 水壓致裂前后主要礦壓指標(biāo)對(duì)比

4 結(jié)論

1）2202 工作面直接頂為8 m 厚的砂質(zhì)泥巖，老頂為12 m 厚的粉砂巖，老頂以上為20 m 厚的砂質(zhì)泥巖，頂板整體厚度較大，硬度較大，為典型的厚硬頂板，工作面初次來(lái)壓及周期來(lái)壓強(qiáng)度均較劇烈，采空區(qū)懸頂情況非常突出。

2）按照本工作面的頂板條件，需要對(duì)老頂粉砂巖實(shí)施水力壓裂，主要施工位置為工作面中部，鉆孔及注水位置選定在工作面運(yùn)輸順槽，針對(duì)某個(gè)需要弱化的懸頂周期，一次注水操作需要成對(duì)布置2 個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆孔設(shè)3 個(gè)鉆孔，細(xì)化了頂板弱化整體方案，制定了水壓致裂工藝流程。

3）按照既定方案實(shí)施鉆孔施工及注水壓裂施工，并進(jìn)行注水前后礦壓觀測(cè)指標(biāo)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)實(shí)施水壓致裂后，周期來(lái)壓平均步距降幅為11.5%，最大工作阻力降幅為8.6%，最大動(dòng)載系數(shù)降幅為18.5%。可見，實(shí)施水壓致裂后，工作面來(lái)壓強(qiáng)度整體降幅明顯，且在整個(gè)工作面范圍內(nèi)分布更為均衡，壓裂效果較好，技術(shù)及安全效益顯著，為處理堅(jiān)硬頂板大面積懸頂提供了一種行之有效的方法。