沖擊波預裂工藝技術在高地壓礦井上覆硬巖層的工程實踐

張 偉 郭昆明

（1.山東唐口煤業有限公司；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司；3.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室）

目前，國內部分礦區災害治理已嘗試水力壓裂、CO2爆炸致裂等方式，但水力壓裂易受地質構造的影響，應用范圍不廣［1］，且水力壓裂時壓力沿弱解理面和軟巖方向傳導，不易控制作業［2］；CO2爆炸致裂技術存在安全隱患大、預裂范圍有限、技術要求嚴格等缺點［2］。基于此，需要從新工藝和跨領域的新技術方面尋找突破［3］，高位定向鉆孔+可控沖擊波長距離斷頂工藝技術是在頂板災害治理方面探索的一種新工藝方式，主要包括頂板高位定向長鉆孔的施工和可控沖擊波作業兩方面，能滿足頂板上覆硬巖層的長距離、大范圍致裂的現場需求，實現不同行業先進技術的交叉，其研究成果將引領該領域下一步的發展方向［4］。

1 技術原理

可控沖擊波上覆硬巖預裂技術是我國的一項開創性新技術，是軍工、電學和煤炭科學交叉的產物［5］。可控沖擊波定義為作用面積可控、脈沖可控、振幅可控、頻率可控［4-6］。幅值、脈沖可控：沖擊波的振幅和作用時間控制在硬巖抗壓強度以上，孔壁結構強度以下。可控操作頻率、區域：沖擊波發生設備的輸出窗口限制其縱向有效作用區域，自然形成有限的作用區［7］。

沖擊波產生設備的組成有脈沖功率控制器、高壓直流電源、儲能電容器、能量控制器、能量轉換器［8］。高壓直流電源、電源控制器、儲能電容器和能量轉換器集成在1 個外徑為90 mm 的圓柱形剛性整體中，形成預裂裝置。井下設備是一個小型的脈沖電源控制器，用于向井下設備發送工作指令，從地下設備的反饋中接收工作狀態，并顯示在人機交互面板上［9-13］。可控沖擊波產生設備如圖1所示。

2 工程概況

唐口礦地質構造更復雜，斷層發育，大多向東北延伸。3#煤層平均厚度10.08 m，以暗煤為主，亮煤次之，含少量絲炭，為半暗型煤；老頂為中砂巖，灰白，成分以石英為主，其次是長石；老頂上部為泥巖，褐灰色、灰黑色，平均厚度2.43 m。垂向向上依次為中砂巖，灰白色，中粒砂質結構，以石英為主，平均厚度3.86 m；細砂巖，淺灰色，以石英為主，平均厚度為4.86 m。

3 試驗設計

3.1 預裂鉆孔施工方案

3.1.1 預裂鉆孔設計

可控沖擊波預裂裝置產生設備，外徑為90 mm，各單元組裝后長度約為6 m。為滿足設備進出鉆孔，要求每6 m 鉆孔軌跡變化率不大于1°，孔徑不小于120 mm。為滿足預裂作業帶壓的需要，須安裝孔口密封裝置，鉆孔一開用?215 mm 擴孔鉆頭擴孔10 m，下入?168 mm封孔管24 m，并帶壓封孔。

根據頂板巖層分布和巖性特點，設計定向鉆孔軌跡，采用定向鉆機在順槽兩幫的鉆場向頂板施工?133 mm 定向長鉆孔300 m，反復洗孔后退鉆。鉆孔軌跡平面上距6315 軌順15 m 以避開錨桿區域，鉆孔軌跡剖面上距3（3 上）煤層頂板34.5 m。鉆孔設計軌跡剖面圖如圖2所示，鉆孔主要設計參數見表1。

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3.1.2 預裂鉆孔、封孔施工設計

為使沖擊波設備操作方便，擬采用?133 mm 鉆頭施鉆至終孔，目前的定向鉆機一次成孔最大孔徑為96 mm。因此需要采用二次成孔工藝，即先施工?96 mm 定向先導孔，接著采用?215 mm 擴孔鉆頭進行擴孔施工24 m，下入?168 mm 套管封孔，最后使用?133 mm擴孔至孔底。

3.2 預裂作業方案

3.2.1 預裂作業試驗參數設計

采用可控沖擊波頂板預裂技術在某礦開展先導性試驗，參考以往在其他礦區堅硬頂板巖層中的作業參數并進行適量增加，實現預裂效果最大化，預裂作業試驗設計參數見表2。

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3.2.2 可控沖擊波產生裝置推送方法

可控沖擊波發生設備的孔內外部件信號傳輸及裝置的輸入操作需要依靠通纜鉆桿來實現信號通信和預裂作業控制。現場試驗時，采用全液壓坑道鉆機、?89 mm 通纜鉆桿完成預裂作業。鉆機與鉆桿配合，推動可控沖擊波發生設備出入鉆孔，實現孔內不同點的預裂作業。鉆機推送示意圖如圖3所示。

3.2.3 可控沖擊波作業安全設計

沖擊波能量必須通過水介質耦合到上覆硬巖層中，為保證預裂效果，可控沖擊波發生設備必須保證在充滿壓力的環境［14-15］。因此，設計的孔口裝置要滿足封閉、帶壓等其他操作要求。孔口裝置為四通結構，上端通過閥門與負壓抽放管路連接，下端通過閥門與氣水分離器連接。在鉆孔孔內水排放過程中，可以將瓦斯、水和巖（煤）分離，前端在可控沖擊波產生設備進入指定位置后安裝密封堵頭，封閉鉆孔并實現帶壓0.5 MPa下的增透作業。

3.3 預裂效果評價

因取心鉆孔軌跡不可控，為防止串孔導致廢孔，效果檢驗孔須預留安全距離。為了使參數孔和評價孔的巖心具有更好的可比性，兩孔之間的間距又不宜太大，確定孔距為10 m，鉆孔深度設計為40 m。對檢驗孔巖心進行力學試驗，與參數孔巖心的力學性質對比，其次觀察2組巖心裂隙發育情況得到巖石裂隙發育的變化，綜合評價沖擊波作業效果。

4 預裂效果分析

為驗證上覆硬巖層頂板預裂的效果，通常采用的驗證方法主要有常規礦壓觀測法、震動信號分析法、鉆孔窺視法、數值模擬法。通過各方法描述與驗證效果，結合現場實際，采用鉆孔窺視法驗證可控沖擊波預裂作業效果，以期對工藝技術的推廣做數據支撐［10］。

4.1 鉆孔窺視設備

CXK6 型鉆孔成像儀采用DSP 圖像處理技術、高度集成、全景記錄、實時自動提取剖面圖，圖像清晰逼真，精確深度自動標定，可對所有孔洞進行全面觀測。該系統由外業和內業兩部分組成，外業主要包括成像儀等；內業由1 臺微機（主頻大于1GHz）組成，構成圖像采集和信號分析的完整系統，對現場采集的圖像進行計算、顯示、存儲、通訊、處理和分析，并打印成圖［11］。

4.2 頂板堅硬巖層預裂鉆孔窺視結果分析

采用鉆孔成像儀對預裂前后孔內裂隙形態發育狀況進行研究，6315 工作面斷頂預裂范圍為頂板以上15～35 m，通過窺視發現預裂前后該段鉆孔內并無明顯的裂隙發育，結合工作面綜合柱狀圖與鉆孔實測圖，主要分析該段巖層為厚度7.5～17.5 m 的中、細砂巖層。6315工作面檢驗鉆孔觀測結果（圖4）顯示：孔內預裂后裂紋形態發育明顯增加，主裂紋縫寬可達到5 mm，說明沖擊波對頂板上覆硬巖較易產生裂隙，但裂紋發展比較分散，無法滿足精細化預裂的要求，但該層位接近3#煤層，不屬于優先致裂層位；對于3#煤層頂板上12.5～14.5 m、14.5～17.5 m 段巖層，因靠近定向聚能沖擊裝置，能量大，鉆孔窺視圖顯示，孔內爆破后裂隙發育明顯增多，尺度超過10 mm，說明定向聚能產生的沖擊波預裂效果非常明顯。

為進一步檢驗可控沖擊波預裂頂板堅硬巖層裂縫發育形態，鉆孔窺視初步檢驗結束后，分別對采樣巖心進行切片分析。頂板上覆硬巖預裂后，裂隙發育明顯，巖心切片風險高，每塊樣品只選一種剖面切片以便保證完整性，根據預裂后巖心的完整度，特選14.5～17.5 m 段巖心切片2 片，通過側視、俯視2 個角度切割解剖，如圖5、圖6所示。

從圖5可以看出，定向聚能棒沖擊能量在水平層理面造成更多的裂縫發育、開啟，垂直分層方向裂縫發育有限，形態發展呈現一定趨勢；從圖6可以看出，由于離預裂裝置更近，沖擊能量更高，在2個方向上，裂縫已發育至巖樣邊界，且裂縫發育形態更明顯、更復雜，裂隙發育形態與能量的大小呈正相關關系。

5 結 語

定向聚能棒通過沖擊波的形式釋放能量，在頂板巖層垂向上形成“O 型圈”“三帶”，依次為彈性波帶、壓縮波帶、沖擊波帶，通過擾動、扯裂、綻裂等效應作用于頂板堅硬巖層，促進頂板巖層裂縫形態發育，單點多次、分段多點重復施加沖擊波能量，疊加造成巖層的疲勞效應，使得裂縫發育愈加發育、擴展進而形成裂隙網絡，釋放巖層地應力，杜絕頂板瞬時垮落。基于高位定向鉆孔+可控沖擊波長距離斷頂工藝技術是在高地壓礦井頂板動力災害治理方面探索的一種新工藝方式，實現了不同行業先進技術的交叉，其研究成果將引領該領域下一步的發展方向，將在國內煤礦的頂板治理方面樹立標桿，具有廣闊的市場推廣前景。