毛明亮

（華晉焦煤有限責(zé)任公司 沙曲礦，山西 柳林033300）

堅硬頂板采場與普通采場其主要區(qū)別是礦山壓力顯現(xiàn)程度不同，開采實(shí)踐和理論研究表明，堅硬頂板采場礦壓顯現(xiàn)更為劇烈〔1〕。堅硬頂板工作面頂板巖性致密、強(qiáng)度高，若不對其進(jìn)行弱化處理會在采空區(qū)上方形成大面積的懸頂，這些頂板巖層會因彎曲、變形積聚大量的彈性能，當(dāng)突然垮落時彈性能會瞬間釋放，給工作面、采區(qū)甚至整個礦井帶來嚴(yán)重的破壞，此外，堅硬頂板還是誘導(dǎo)沖擊地壓的重要因素。文獻(xiàn)顯示，我國有35%左右的煤層屬于堅硬頂板煤層，覆蓋在50%以上的礦區(qū)，故如何控制堅硬頂板一直是煤炭開采界的重要研究課題〔2〕。目前我國處理堅硬頂板的方法有煤柱支撐法、強(qiáng)制放頂法和頂板弱化法，其中支撐法存在煤炭損失率高，強(qiáng)制放頂法存在工程量大、安全隱患多等弊端〔3－4〕；頂板弱化法包括爆破弱化和注水弱化兩種，前者工序復(fù)雜，施工難度大，且難以適應(yīng)高瓦斯礦井，后者施工簡單，成本低，對開采影響較小，推廣應(yīng)用前景較好。

1 水力致裂弱化頂板原理

理論分析認(rèn)為，水對巖石的作用主要表現(xiàn)在水壓和水化學(xué)損傷兩個方面，其中水壓可以減少巖體內(nèi)部摩擦阻力，促進(jìn)其內(nèi)部節(jié)理裂隙的發(fā)育，同時還造成巖體產(chǎn)生滲透變形；后者是指水可以對巖體裂紋面的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行影響，造成巖體裂紋面抗剪強(qiáng)度較低〔2〕。從損傷力學(xué)角度對注水弱化頂板進(jìn)行分析，首先注入頂板的高壓水產(chǎn)生裂隙，原生裂隙在水力作用下不斷擴(kuò)大，這樣造成巖體內(nèi)礦物顆粒的黏結(jié)性大大降低，最終導(dǎo)致頂板巖層強(qiáng)度的降低。從動力學(xué)角度分析，高壓水進(jìn)入巖體后，改變了原巖體物理特性和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，削弱了礦物顆粒的聯(lián)系性，同時腐蝕礦物質(zhì)晶體，造成巖體膨脹變形，導(dǎo)致巖體強(qiáng)度降低。通過上述分析可知，水力致裂弱化頂板就是利用水對巖體產(chǎn)生的多重弱化作用。

2 水力致裂工藝

在采用水力致裂技術(shù)處理堅硬頂板時，需要用到高壓注水泵、地質(zhì)鉆機(jī)、錨桿鉆機(jī)、封口器、配套閥門、鉆孔窺視儀等。根據(jù)水力致裂要求，需要在需弱化頂板打設(shè)致裂鉆孔和觀察孔，前者用于注水弱化頂板，后者用以觀察水力致裂效果。致裂鉆孔和觀察孔施工工藝為：在實(shí)驗(yàn)頂板中利用地質(zhì)鉆機(jī)打設(shè)Φ48mm致裂鉆孔，孔深根據(jù)頂板巖體厚度確定，鉆孔打設(shè)完畢后利用窺視儀觀測鉆孔質(zhì)量，當(dāng)鉆孔內(nèi)壁出現(xiàn)裂隙、離層等情況時需要重新選定區(qū)域進(jìn)行打鉆；當(dāng)致裂鉆孔滿足要求時，利用切槽刀具在鉆孔頂部打出楔形槽；最后利用錨桿鉆機(jī)在所打設(shè)的致裂鉆孔附近3～12m打設(shè)觀察孔，用以觀測頂板受高壓水作用產(chǎn)生的致裂半徑。致裂鉆孔完工后，根據(jù)工作面埋深和鉆孔參數(shù)合理確定注水壓力，然后將封口器和高壓軟管深入致裂鉆孔頂部楔形槽內(nèi)，確保封口器封口效果后開始注水，直至致裂鉆孔周圍觀察孔出現(xiàn)水流，且水流有濁變清，有小變大后方可停止注水。

3 頂板弱化試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)頂板概況

以5＃煤層堅硬頂板為研究對象，實(shí)驗(yàn)區(qū)為15306工作面。該工作面煤層均厚為3.7m，煤層向上依次為石灰?guī)r、粉砂巖、石灰?guī)r、細(xì)粒砂巖及石灰?guī)r（見圖1）。該工作面頂板灰?guī)r和細(xì)粒砂巖致密性較好，強(qiáng)度和硬度較高，其中石灰?guī)r和細(xì)粒砂巖的抗拉強(qiáng)度分別為6MPa和5MPa，彈性模型分別為35GPa和13GPa。

圖1 15306工作面綜合地質(zhì)柱狀圖

3.2 水力致裂頂板工藝實(shí)施

3.2.1 致裂實(shí)驗(yàn)方案的確定

為了更好地掌握水力致裂弱化堅硬頂板的效果，在工作面機(jī)巷選擇頂板條件較好、作業(yè)空間較大的頂板區(qū)域作為實(shí)驗(yàn)區(qū)域。在選定的試驗(yàn)區(qū)域布置1＃和2＃兩個致裂鉆孔，兩鉆孔間距為25m；在1＃致裂鉆孔附近布置11＃、12＃、和13＃觀測孔，分別距離1＃鉆孔2m、4m和6m；在2＃致裂鉆孔附近布置21＃、22＃和23＃觀測孔，分別距離2＃鉆孔4m、8m和12m。根據(jù)15306工作面頂板巖性條件，將1＃致裂鉆孔深度確定為5m，1＃致裂孔周圍觀測孔深9 m，2＃致裂鉆孔深度確定為9m，周圍觀測孔深13m，用以掌握致裂鉆孔對石灰?guī)r和細(xì)粒砂巖的致裂效果，實(shí)驗(yàn)方案見圖2。

圖2 15306工作面水力致裂頂板鉆孔布置示意

3.2.2 注水致裂實(shí)驗(yàn)的實(shí)施

根據(jù)水力致裂試驗(yàn)方案在選定的區(qū)域向頂板打設(shè)1＃和2＃致裂鉆孔，當(dāng)鉆孔質(zhì)量符合注水實(shí)驗(yàn)要求時在鉆孔頂部利用切槽刀具切出楔形槽，然后在致裂鉆孔周圍根據(jù)設(shè)計方案打設(shè)觀察孔，最后將注水高壓軟管深入楔形槽頂部，并用封口器固定。將注水泵、供水管道和高壓軟管連接完畢后開始注水，兩致裂鉆孔采用分開注水方式，注水泵選用BRW80／35型泵，該泵流量為80L／min，壓力可調(diào)范圍為12～35MPa，可以滿足注水要求，注水結(jié)束以觀察孔出現(xiàn)穩(wěn)定清水為準(zhǔn)，若一直不出現(xiàn)清水，注水時間為3～8min為準(zhǔn)。

3.3 水力致裂堅硬頂板過程及其效果分析

當(dāng)開始對1＃致裂鉆孔進(jìn)行注水時，注水壓力緩慢增高，當(dāng)注水約1.5min時聽到鉆孔內(nèi)傳來巖層劈裂聲響，過了0.5min左右，11＃觀察孔出現(xiàn)渾濁白色液體流出，水流逐漸增大，又過了0.5min左右，12＃觀察孔也出現(xiàn)了11＃觀察孔相似的現(xiàn)象，在注水約3.5min時，13＃觀察孔出現(xiàn)渾濁白色液體，但流量明顯低于11＃和12＃觀察孔流量，隨著注水時間的進(jìn)一步延長，3個觀察孔流出的液體均變澄清，但3個鉆孔水流流量依次減小。在注水期間，每隔10s觀測一次注水壓力，注水壓力隨時間變化情況見圖3。由圖3可知，隨著注水時間的增長，注水壓力逐漸增大，在注水50s左右時注水壓力達(dá)到峰值23MPa，然后隨著注水工作的繼續(xù)，注水壓力逐漸降低，直至穩(wěn)定在11～12MPa附近。

當(dāng)開始對2＃致裂鉆孔注水時，隨著注水時間的延續(xù)，注水壓力逐漸增高，當(dāng)注水約2min時從致裂鉆孔內(nèi)傳來巖層劈裂聲響，緊接著在21＃觀察孔流出渾濁白色液體，水流隨注水時間延續(xù)逐漸增大，且水流逐漸由渾變清，當(dāng)注水3.5min時，2＃觀察孔出現(xiàn)渾濁水流，水流由滴水狀態(tài)變?yōu)榫€狀，再變?yōu)榧?xì)流狀，繼續(xù)對2＃致裂鉆孔進(jìn)行注水，21＃和22＃鉆孔水流逐漸趨于穩(wěn)定，但23＃觀察孔始終無液體流出。在注水期間，每隔10s觀測一次注水壓力，注水壓力隨時間變化情況見圖3。由圖3可知，隨著注水時間的增長，注水壓力逐漸增大，在注水時間為60s左右時注水壓力達(dá)到峰值23MPa，然后隨著注水工作的繼續(xù)，注水壓力逐漸降低，直至穩(wěn)定在11～13MPa附近。

圖3 15306工作面頂板致裂孔壓力隨觀測時間變化情況

為了掌握水力致裂弱化頂板效果，在該1＃和2＃致裂孔附近進(jìn)行鉆屑實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，在對1＃致裂孔高壓注水后，其周圍的13＃觀測孔不久有乳化液留出，并逐步加大流量，證明其在6m范圍內(nèi)裂隙擴(kuò)展明顯，即致裂半徑達(dá)8m，而2＃致裂孔加大注水壓力，致裂效果更佳。在距離2＃致裂孔12m遠(yuǎn)的23＃觀測孔，也在一定時間后出現(xiàn)了乳化液流出現(xiàn)象，因此其有效致裂半徑達(dá)12m。且在隨后的打鉆過程中未曾出現(xiàn)以往的夾鉆、卡鉆現(xiàn)象，且煤粉生成量較少，說明通過水力致裂的實(shí)施確實(shí)改變了頂板物理巖性，降低了其強(qiáng)度和整體性。另外在注水過程中有明顯的礦壓顯現(xiàn)即頂板下沉和破裂聲。

4 結(jié)語

水力致裂是弱化頂板的有效方法，在采用水力致裂技術(shù)處理堅硬頂板時，需在掌握頂板巖性的基礎(chǔ)上，合理確定致裂鉆孔的具體參數(shù)、注水壓力和注水時間。通過采用水力致裂對頂板進(jìn)行預(yù)先弱化，可以較好地控制頂板，降低頂板垮落步距和頂板集中應(yīng)力，降低工作面煤體支承壓力，有助于消除因頂板大面懸頂而產(chǎn)生的災(zāi)害，是工作面安全回采的重要保障。

〔1〕閏少宏，寧 宇，康立軍，等 .用水力壓裂處理堅硬頂板的機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究〔J〕.煤礦學(xué)報，2000，25（1）：32－35.

〔2〕梁大海 .堅硬頂板注水軟化機(jī)理研究〔D〕.太原：太原理工大學(xué)，2006.

〔3〕劉洪偉，李君利 .堅硬頂板弱化技術(shù)綜述〔J〕.煤炭技術(shù)，2009，28（2）：50－51.

〔4〕董福凱 .頂板弱化處理在開采堅硬頂板煤層中的應(yīng)用〔J〕.中國煤炭工業(yè)，2011，（12）：38－39.