堅(jiān)硬K2灰?guī)r頂板水壓致裂強(qiáng)制放頂設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘 要：【目的】鐵新煤業(yè)9226工作面回采后端頭區(qū)域堅(jiān)硬K2灰?guī)r頂板難以正?？迓?，在工作面后方懸露較大空頂區(qū)域，威脅工作面作業(yè)安全，需要對(duì)其進(jìn)行水壓致裂強(qiáng)制放頂處理。【方法】針對(duì)9226工作面端頭長(zhǎng)距離懸頂帶來(lái)的安全隱患，根據(jù)9226工作面堅(jiān)硬K2灰?guī)r頂板工程地質(zhì)條件，通過(guò)理論計(jì)算方法設(shè)計(jì)9226工作面超前水壓預(yù)裂參數(shù)，確定超前水壓預(yù)裂實(shí)施流程，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和觀測(cè)。【結(jié)果】結(jié)果表明，水壓致裂放頂技術(shù)解決了9226工作面后方厚硬石灰?guī)r頂板難以及時(shí)垮落的問(wèn)題，保證了工作面推進(jìn)速度。【結(jié)論】本研究為水壓致裂技術(shù)在類(lèi)似條件煤炭開(kāi)采中的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：厚硬懸頂；超前預(yù)裂；水壓致裂；參數(shù)設(shè)計(jì)；現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TD323 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2024）19-0034-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.19.007

Design and Application of Forced Caving for Hard K2 Limestone Roof by Hydraulic Fracturing

CHEN Xiaoyun

（Shanxi Poly Tiexin Coal Industry Co.， Ltd.， Jinzhong 030600， China）

Abstract： [Purposes] The hard K2 limestone roof in the rear end area of the 9226 working face of Tiexin Coal Industry is difficult to collapse normally， resulting in a large empty roof area hanging behind the working face， which poses a threat to the safety of the working face operation，and it needs to be forced caving by hydraulic fracturing.[Methods] In response to the safety hazards caused by the long-distance suspended roof at the end of the 9226 working face， based on the engineering geological conditions of the hard K2 limestone roof of the 9226 working face， the advanced water pressure pre-splitting parameters of the 9226 working face were designed through theoretical calculation， and the implementation process of the advanced water pressure pre-splitting was determined. Field practice and observation were carried out.[Findings] The results showed that the hydraulic fracturing roof release technology solved the problem of difficult timely collapse of the thick and hard limestone roof behind the 9226 working face， ensuring the advancing speed of the working face. [Conclusions] This study lays the foundation for the promotion and application of hydraulic fracturing technology in coal mining under similar conditions.

Keywords： thick and hard suspended roof; advance pre-splitting; hydraulic fracturing; parameter design; on site application

0 引言

工作面開(kāi)采后，頂板巖層會(huì)在礦山壓力和自重應(yīng)力作用下發(fā)生回轉(zhuǎn)變形和垮落，形成初次來(lái)壓和周期來(lái)壓［1-2］。當(dāng)上覆頂板強(qiáng)度較高、厚度較大、賦存完整時(shí)，在工作面推進(jìn)過(guò)后往往難以及時(shí)垮落，進(jìn)而在采空區(qū)形成較大空頂空間，給前方工作面和巷道帶來(lái)較強(qiáng)的集中應(yīng)力和造成更強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)，成為困擾著工作面安全生產(chǎn)的主要問(wèn)題之一［3-4］。同時(shí)，采空區(qū)懸露頂板也為瓦斯積聚提供了空間，極易導(dǎo)致工作面端頭區(qū)域瓦斯超限，影響工作面正常推進(jìn)和安全［5-6］。我國(guó)約有三分之一的煤礦在開(kāi)采過(guò)程中受到堅(jiān)硬頂板的困擾［7-8］。根據(jù)治理實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)人工方法（如水力壓裂方法）在堅(jiān)硬頂板中形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，破壞厚硬頂板的完整程度，可以有效降低頂板懸露長(zhǎng)度，解決懸頂帶來(lái)的技術(shù)問(wèn)題［9］。

該煤礦9226工作面上方直接賦存堅(jiān)硬灰?guī)r巖層，硬度為9～11，平均厚度為8.79 m，巖體致密完整。除此之外，工作面端頭附近還受到煤柱側(cè)巷幫支撐作用。隨著煤層的開(kāi)采，厚硬灰?guī)r基本頂難以垮落，在采空區(qū)形成較大范圍懸露空間，嚴(yán)重影響了安全生產(chǎn)。因此，亟須對(duì)9226工作面K2灰?guī)r堅(jiān)硬頂板端頭懸頂進(jìn)行處理。

1 工程地質(zhì)概況

9226工作面位于二采區(qū)，與9224工作面和9228工作面（未采）相鄰，工作面巷道布置如圖1所示。根據(jù)掘進(jìn)期間的地質(zhì)勘測(cè)資料，平均埋深約為400 m。煤層為近水平煤層，平均傾角為5°。9226工作面范圍內(nèi)煤層厚度平均為1.29 m，采高設(shè)計(jì)為2.3 m（沿煤層頂板開(kāi)采）。煤層直接頂為平均厚度8.79 m的灰?guī)r，底板為平均厚度1.94 m的砂質(zhì)泥巖。煤層頂、底板巖性特征如圖2所示，煤巖體力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，9226工作面上方直接賦存堅(jiān)硬灰?guī)r，單軸抗壓強(qiáng)度平均為98.81 MPa，平均厚度為8.79 m，巖體致密完整。除此之外，工作面端頭附近還受到煤柱側(cè)巷幫支撐作用。隨著煤層的開(kāi)采，厚硬灰?guī)r基本頂難以垮落，在采空區(qū)形成10～30 m長(zhǎng)的懸露空間，端頭附近采空區(qū)存在較大范圍空頂區(qū)域，如圖3所示。

2 水力壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)

從該工作面工程地質(zhì)條件和端頭頂板懸頂情況看，回采過(guò)后端頭區(qū)頂板的完整性較好，上方巖層的回轉(zhuǎn)變形對(duì)端頭頂板垮落失穩(wěn)的影響程度有限，端頭頂板未能在采動(dòng)壓力作用下形成斷裂裂隙，從而不能及時(shí)垮落，導(dǎo)致端頭區(qū)域形成較大范圍懸頂。水壓致裂法能夠利用高壓水對(duì)鉆孔孔壁的拉裂作用在頂板巖體中形成人工裂隙，在高壓水作用一段時(shí)間后，裂隙擴(kuò)展形成網(wǎng)絡(luò)，從而破壞頂板完整性，在采動(dòng)壓力的協(xié)同作用下形成貫通性裂隙，促使端頭頂板隨工作面回采適時(shí)垮落，因此可采用水壓致裂方法預(yù)制裂隙進(jìn)行強(qiáng)制放頂［10-11］。下面通過(guò)理論計(jì)算方法設(shè)計(jì)水力壓裂參數(shù)。

2.1 致裂高度與層位

根據(jù)9226工作面頂板賦存條件和工作面開(kāi)采過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的情況，端頭懸頂主要是由厚硬石灰?guī)r頂板引起的，因此需要在厚硬灰?guī)r頂板中實(shí)施水力壓裂，弱化灰?guī)r頂板完整性，破壞灰?guī)r頂板產(chǎn)生懸頂?shù)膹?qiáng)度條件。因此，要實(shí)現(xiàn)厚硬灰?guī)r頂板懸頂?shù)挠行е卫?，?yīng)秉承以下要求：一是為降低懸頂對(duì)工作面來(lái)壓的影響，垮落巖層要對(duì)采空區(qū)頂板實(shí)現(xiàn)有效支撐，預(yù)裂后垮落的巖石高度（考慮其碎脹性）不應(yīng)小于開(kāi)采空間高度或巷道的高度；二是高壓水對(duì)鉆孔孔壁實(shí)施拉裂作用，擴(kuò)展裂隙網(wǎng)絡(luò)，助力頂板及時(shí)垮落；三是對(duì)中高位巖體進(jìn)行水力壓裂，擴(kuò)展的裂隙會(huì)同步破壞低位受采動(dòng)影響較大的巖層，進(jìn)一步帶動(dòng)低位巖層垮落［12-13］。

根據(jù)上述理論，水壓致裂的合理層位（切頂高度）最低要求［14］見(jiàn)式（1）。

[hq=hmδ-1] （1）

式中：hq為切頂最深位置，m；hm為回采空間高度，2.3 m；δ為巖石的碎脹系數(shù)，根據(jù)頂板巖層性質(zhì)取1.3。

根據(jù)式（1）計(jì)算可得出頂板冒落碎石充分填充采出空間時(shí)的切頂最深位置為7.6 m。根據(jù)計(jì)算，考慮巖層厚度變化，9226工作面回采巷道切頂高度至少為8 m。

2.2 泵站壓力

受到高壓水的持續(xù)漲壓后，鉆孔孔壁將在最大主應(yīng)力方向率先產(chǎn)生拉伸破壞。當(dāng)水壓持續(xù)作用時(shí)，裂隙持續(xù)擴(kuò)展匯成宏觀裂縫。根據(jù)柯西孔壁應(yīng)力集中解，在高壓水的作用下，巖體鉆孔孔壁破壞前主要受到巖體天然應(yīng)力場(chǎng)、鉆孔內(nèi)高壓水壓力、滲流壓力和應(yīng)力集中作用等方面的影響，且裂隙的起裂條件與起裂方向均與這些因素有關(guān)［15］。根據(jù)《煤礦井下強(qiáng)制增滲工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T 10850—2021）［16］，合理泵站壓力可以按式（2）來(lái)確定。

B=（3Bmin-Bmax+Bt-B0）·η （2）

式中：B為破壞壓力，MPa； Bmax為鉆孔法線方向平面最大主應(yīng)力，根據(jù)測(cè)試為11.8 MPa；Bmin為鉆孔法線方向平面最小主應(yīng)力，根據(jù)測(cè)試為7.83 MPa；Bt為致裂巖層的抗拉強(qiáng)度，根據(jù)測(cè)試石灰?guī)r的抗拉強(qiáng)度為10.2 MPa； B0為致裂巖層的孔隙壓力，按更高效壓裂考慮，取0；η為富裕系數(shù)，考慮滲漏、卸壓等因素，泵壓要有一定富裕，取1.2。

根據(jù)式（2）計(jì)算可得，合理的泵站壓力應(yīng)超過(guò)26.27 MPa。工作面乳化液泵站額定壓力為31.5 MPa，可以滿足使用需要。

2.3 鉆孔布置

根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，9226工作面灰?guī)r頂板壓裂擴(kuò)展半徑為3～4 m，為保證壓裂效果，致裂鉆孔的壓裂區(qū)間應(yīng)有一定的重疊，因此壓裂鉆孔排距定為6 m。9226工作面運(yùn)輸巷道寬度為4.6 m，每排布置一個(gè)鉆孔即可滿足切眼要求，同時(shí)為切斷煤柱對(duì)頂板的支撐作用，沿巷道不回采側(cè)幫部布置鉆孔?？紤]施工影響，應(yīng)在距離煤幫0.2～0.4 m范圍內(nèi)打設(shè)致裂孔。為防止壓裂前塌孔，致裂孔應(yīng)在9226工作面超前影響范圍以外打設(shè)。為充分利用乳化液泵站壓力，壓裂鉆孔在進(jìn)入超前支護(hù)范圍時(shí)進(jìn)行壓裂。壓裂孔布置如圖4所示，根據(jù)前文計(jì)算結(jié)果和頂板賦存情況，壓裂深度為8～12 m（根據(jù)石灰?guī)r厚度調(diào)整），采用后退式壓裂，從孔底向外每隔2～3 m壓裂一次，為保證裂隙能夠充分?jǐn)U展，單個(gè)壓裂段的壓裂時(shí)間一般為25～30 min。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為檢驗(yàn)水壓致裂控制端頭的懸頂效果，在9226工作面運(yùn)輸巷開(kāi)展工業(yè)性試驗(yàn)。運(yùn)輸巷試驗(yàn)段長(zhǎng)度約70 m，打設(shè)11個(gè)鉆孔，超前工作面30 m左右打設(shè)鉆孔，隨后開(kāi)始?jí)毫?。壓裂地點(diǎn)距工作面設(shè)備較近，且壓力低于工作面乳化液泵站壓力，可利用工作面乳化液泵站（額定壓力31.5 MPa）提供壓力。為保證施工時(shí)頂板安全，壓裂施工時(shí)壓裂鉆孔應(yīng)位于超前支護(hù)范圍內(nèi)。利用錨索鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔作業(yè)，先使用直徑為28 mm的鉆頭施工鉆孔，然后使用直徑為50 mm的鉆頭套孔。鉆孔完成后，壓裂施工人員開(kāi)始進(jìn)行壓裂準(zhǔn)備工作，鉆孔人員轉(zhuǎn)移至下一個(gè)鉆孔位置繼續(xù)打設(shè)鉆孔。壓裂準(zhǔn)備工作主要包括封孔器推進(jìn)到預(yù)定位置、加壓封孔和連接高壓管路。完成準(zhǔn)備工作后，打開(kāi)泵站開(kāi)關(guān)按要求進(jìn)行壓裂作業(yè)。施工流程如圖5所示，現(xiàn)場(chǎng)施工情況如圖6所示。

水力壓裂的主要目的是切斷工作面后方端頭懸頂，因此工作面后方端頭頂板懸露長(zhǎng)度是評(píng)價(jià)預(yù)裂效果最直觀的參數(shù)。預(yù)裂實(shí)施后，對(duì)工作面后方端頭頂板懸露長(zhǎng)度進(jìn)行記錄統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表2。

由表2可以看出，除A1、A2、A3和A4孔采后懸頂長(zhǎng)度超過(guò)5 m外，其余壓裂鉆孔后方頂板懸頂長(zhǎng)度均小于5 m，說(shuō)明實(shí)施水壓致裂后，頂板整體性遭到破壞，堅(jiān)硬灰?guī)r頂板隨著工作面推進(jìn)在采空區(qū)及時(shí)垮落，工作面端頭無(wú)大面積懸頂。在施工過(guò)程中，A2和A3孔由于鉆孔塌孔和封隔器卡住未實(shí)施壓裂，堅(jiān)硬完整的頂板未能及時(shí)垮落，對(duì)A1和A4孔范圍內(nèi)的頂板垮落也有一定的不利影響。因此，在后續(xù)推廣實(shí)施過(guò)程中，當(dāng)遇到不成功壓裂鉆孔時(shí)，需要及時(shí)在附近間隔一段距離補(bǔ)打鉆孔，重新進(jìn)行壓裂。

9226工作面實(shí)施的水壓預(yù)裂強(qiáng)制放頂技術(shù)，能夠保障工作面回采安全，降低工人勞動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。該技術(shù)操作方便，技術(shù)培訓(xùn)速度快，工人工作效率高，為超前水壓預(yù)裂技術(shù)在厚層堅(jiān)硬頂板條件煤層開(kāi)采中的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)采用水壓致裂超前放頂技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了9226工作面采空區(qū)懸頂有效治理，重點(diǎn)解決了水力壓裂參數(shù)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，得出以下結(jié)論。

①根據(jù)9226工作面工程地質(zhì)條件，通過(guò)理論計(jì)算確定了堅(jiān)硬K2灰?guī)r頂板水力壓裂參數(shù)，包括切頂層位、鉆孔長(zhǎng)度、鉆孔直徑、鉆孔布置等，指導(dǎo)了生產(chǎn)實(shí)踐。

②現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施結(jié)果表明，采用水壓致裂強(qiáng)制放頂措施后，9226工作面兩端頭懸頂從原來(lái)的10～30 m降低至5 m以內(nèi)，工作面端頭無(wú)大范圍懸頂，保證了工作面順利推進(jìn)，有效提高了工作面回采安全性。

③在后續(xù)推廣實(shí)施過(guò)程中，當(dāng)遇到不成功壓裂鉆孔時(shí)，需要及時(shí)在附近間隔一段距離補(bǔ)打鉆孔，重新進(jìn)行壓裂，以最大限度保障壓裂效果。

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