馮彥軍

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013)

神府東勝礦區(qū)探明儲量223Gt，占我國煤炭探明儲量的1/3，煤層埋深淺、地質構造簡單、開采條件優(yōu)越、煤質優(yōu)良，是我國重要的優(yōu)質動力煤基地[1]。神東礦區(qū)擁有國際領先水平的長壁綜合機械化采煤方法，但仍有大量不適合布置長壁工作面的邊角煤塊段，比如，大型井田的邊角煤塊段、殘留煤柱、“三下”壓煤等。

旺格維利采煤法(簡稱“旺采”)作為高效的短壁采煤方法，是不規(guī)則煤層塊段、煤柱回收、“三下”壓煤、殘采區(qū)等煤炭資源開采的主要方法，具有機械化程度高、生產系統(tǒng)簡單、資源采出率高等特點[2]。20世紀90年代末引入我國并在神東煤炭集團得到發(fā)展和推廣，先后形成了煤柱支撐房柱式采煤方法、旺格維利單翼采煤法、旺格維利雙翼采煤法、線性支架旺采工藝、線性支架全部垮落旺采工藝等[3]。

旺采工作面采用全部垮落法管理采空區(qū)頂板，避免了采空區(qū)大面積懸頂帶來的一系列安全問題。比如：我國陜北、內蒙古等礦區(qū)存在大量的淺埋房采采空區(qū)，隨著遺留在采空區(qū)煤柱的風化、蠕變，煤柱發(fā)生失穩(wěn)破壞并最終導致采空區(qū)失穩(wěn)災變，形成颶風甚至礦震，嚴重威脅周圍環(huán)境安全[4-5]。

而神東礦區(qū)頂板巖層的整體性和穩(wěn)定性較好，難以隨著工作面的回采自行、及時垮落。采用全部垮落法管理采空區(qū)頂板時，需采取強制放頂措施。旺采工作面采空區(qū)頂板爆破強制放頂措施[6]，如圖1所示。支巷回采完畢后即對頂板進行爆破，其優(yōu)點是爆破范圍小，無需構筑防沖密閉，缺點是爆破易導致系統(tǒng)空氣污染且難以排出，影響生產，危及人員健康和安全。

圖1 旺采采空區(qū)頂板爆破強制放頂示意

煤礦井下頂板巖層水力壓裂控制技術研究已取得有益成果，在我國綜采工作面堅硬難垮頂板的控制中表現出一定的優(yōu)越性[7-12]，已在晉、蒙、陜礦區(qū)推廣應用。

因此，本文基于神東礦區(qū)旺采面采空區(qū)頂板管理存在的問題以及水力壓裂對頂板巖層的控制作用，通過在神東榆家梁煤礦旺采工作面開展水力壓裂頂板控制試驗，分析旺采工作面頂板巖層水力壓裂控制效果，以期解決旺采采空區(qū)大面積懸頂問題，確保工作面安全生產。

此外，采用水力壓裂技術控制采空區(qū)頂板，有助于解決如下問題：避免在旺采采空區(qū)實施爆破控頂，降低工人的勞動強度和放頂工作的安全性。同時，采硐間煤量基本可以完全回收，煤柱留設大幅減小，采出率得以提高；降低采空區(qū)煤炭自燃的可能性。直接頂能夠及時垮落，大幅降低浮煤自燃的可能性，減少采空區(qū)暴露時間。

1 神東礦區(qū)旺采工作面礦壓規(guī)律

神東礦區(qū)煤層的賦存特征為淺埋深(約100～150m)、薄基巖、厚松散層。針對淺埋綜采工作面頂板巖層的運移規(guī)律，黃慶享從巖層控制的角度分析了淺埋工作面的礦壓規(guī)律，頂板呈現整體切落、臺階式下沉的特點，基本頂為單一關鍵層結構，其破斷運動波及地表，頂板難以形成穩(wěn)定結構，來壓過程中存在明顯動壓現象[13]。

針對神東旺采工作面，其礦壓顯現規(guī)律主要表現為：工作面回采初期頂板少量落塊，刀間煤皮破裂失去支承能力，頂板出現離層，隨后支巷隔離煤柱開始片幫，頂板離層逐步增大，頂板壓力轉移至平巷護巷煤柱，頂板形成“固支梁”結構。隨著回采面積的增大，關鍵層跨中撓度逐步增大，接近極限垮落步距時，出現受拉破壞，在跨中形成“X”型受拉破壞區(qū)，在煤壁前方形成“O”型受拉破壞區(qū)(頂板易大面積切落位置)，跨中撓度和煤壁處的旋轉變形量明顯增大[14]。榆家梁42煤旺采工作面覆巖運動規(guī)律：工作面回采初期，頂板礦壓顯現較小，基本頂來壓期間，支架工作阻力急劇增大，工作面片幫及煤炮聲頻發(fā)，地表塌陷具有突然性、臺階狀特征[15]。

2 榆家梁52煤旺采工作面頂板水力壓裂

榆家梁煤礦52煤旺采工作面頂板巖層水力壓裂是在回采巷道(平巷、支巷和聯巷)形成之后、工作面回采前實施，通過在聯巷內預先對煤柱上覆頂板巖層進行水力壓裂，弱化巖層的整體性和穩(wěn)定性，為回采過程中采空區(qū)頂板安全、及時垮落創(chuàng)造有利條件。

2.1 工作面特征

榆家梁52煤旺采工作面位于榆家梁井田東北部邊角塊段，旺采工作面回采工藝及巷道布置如圖2所示，頂板巖層水力壓裂試驗位于第三采區(qū)的第三區(qū)段。

圖2 榆家梁煤礦旺采工作面布置及回采工藝

52煤層賦存穩(wěn)定，煤厚平均2.8m，傾角1°～2°，埋深約160～220m，頂板巖層完整、致密。工作面基本頂巖性以細及中砂巖為主，如表1所示。采用鉆孔觸探法測試原位巖層強度，巖層圍巖強度沿鉆孔深度變化如圖3所示。鉆孔0～15.5m圍巖強度波動較小，平均18.5MPa，鉆孔15.5～30m圍巖強度波動較大，平均39.4MPa，最大52MPa。

表1 頂板巖層

圖3 頂板巖層原位強度

2.2 水力壓裂方案

鉆孔與壓裂參數根據煤層厚度、采高、回采方式、頂板巖層厚度，巖層結構、圍巖強度綜合確定。52煤旺采面第三采區(qū)水力壓裂方案見圖4。

鉆孔和壓裂位于聯巷內，鉆孔方向垂直于巷道軸向，鉆孔位于回采煤柱(寬度10.5m)上方的頂板巖層中。鉆孔分為L孔和S孔2種，其中壓裂鉆孔S的長度為25.6m，傾角48°；壓裂鉆孔L的長度為33.2m，傾角25°。

2.3 鉆孔壓裂與頂板垮落

采用后退式封孔分段逐次壓裂工藝進行鉆孔壓裂，從鉆孔底部逐步向孔口處逐次壓裂，壓裂范圍根據圍巖強度測試結果確定，為鉆孔15.5m～孔底。壓裂時間根據鉆孔周圍鉆孔以及錨索出水情況確定，當出水量與進水量(80L/min)相當時，停止壓裂作業(yè)。

圖4 壓裂鉆孔布置與參數

頂板巖層壓裂過程中，某一時段水壓變化壓裂曲線見圖5，水壓變化表明水力裂縫具有典型的起裂和擴展過程，起裂壓力最小為20.8MPa、最大為23.2MPa，水力裂縫擴展壓力平均為18～20MPa。此外，壓裂過程未出現水壓突變情況，表明頂板巖層較為致密、完整，天然裂縫不發(fā)育。

圖5 壓裂水壓變化

工作面第三區(qū)段支巷1和支巷2首先開始回采，其第一和第二條帶回采完畢后(回采面積約1200m2)，頂板逐步完成初次垮落，垮落較為充分，垮落高度4～5m、采空區(qū)充填嚴實，垮落過程較為緩和，未形成沖擊和颶風。

隨著工作面繼續(xù)回采，頂板周期性垮落，其步距滯后約采面1～3個采硐，即5～15m，避免了大面積懸頂的形成，頂板周期性垮落過程呈現分層逐次垮落的特點。

試驗表明，后退式封孔分段逐次壓裂技術通過預先弱化工作面頂板巖層，隨著工作面煤柱逐步回收，頂板巖層能夠及時、逐步垮落，避免在采空區(qū)形成大面積懸頂，工作面實現了全部垮落法管理頂板，保障了安全生產。

3 礦壓顯現特點

為了進一步評價壓裂控頂效果，監(jiān)測工作面推進過程中支巷頂板錨桿(長度1.8m，全長錨固)和錨索(長度8.0m，端部錨固)的受力變化規(guī)律以及支巷線性支架的工作阻力變化規(guī)律，從而反映工作面推進過程中礦壓的顯現程度。錨桿和錨索受力監(jiān)測測站在采區(qū)的位置如圖4所示，測站布置如圖6所示，共安裝4個錨索測力計和6個錨桿測力計，間、排距均為3m。

圖6 監(jiān)測測站布置

1號，2號，3號，5號，6號，8號錨桿的預緊力分別為11kN，9kN，32kN，46kN，20kN，38kN，錨桿受力均隨著工作面回采而逐步增大，工作面臨近測站時，錨桿受力開始急劇增大，但受力均較小，最大受力分別為18kN，26kN，41kN，72kN，35kN，45kN，位于聯巷交叉口處錨桿受力增量明細，見圖7所示。1號，2號，3號，4號錨索的預緊力分別為32kN，34kN，15kN，34kN，其受力變化規(guī)律與錨桿類似，工作面靠近測站時，錨索受力開始急劇增大，位于聯巷交叉口處4號錨索增量明顯，但其整體受力水平較低，如圖8所示。

圖7 錨桿受力變化

圖8 錨索受力變化

監(jiān)測回采過程中線性支架(編號M1)工作阻力典型變化規(guī)律見圖9(監(jiān)測時間段：2017年9月3日9:00至9月5日23:59)，工作阻力最大為23.9MPa，平均為19.4MPa，工作面回采過程中，線性支架受力一直保持在較低水平。

圖9 線性支架工作阻力變化

監(jiān)測結果表明，旺采工作面煤柱上覆頂板巖層經水力壓裂后，回采過程中支巷頂板巖層支護體及線性支架受力水平保持在較低水平，煤柱回采后并未在圍巖中形成較高的支承壓力，說明壓裂后采空區(qū)頂板能夠隨著回采及時垮落，避免形成大面積懸頂。

綜上所述，針對神東礦區(qū)旺采工作面頂板條件及全部垮落法管理頂板的要求，采用水力壓裂技術預先弱化頂板巖層的整體性，實現了采空區(qū)頂板按要求安全垮落，保證工作面安全、正常生產。目前該技術已在神東榆家梁煤礦、石圪臺煤礦推廣應用，效果顯著。

4 結 論

針對神東礦區(qū)煤層賦存具有淺埋深、薄基巖、厚松散層且基巖層穩(wěn)定難垮的特點，以及采用全部垮落法管理旺采工作面采空區(qū)頂板的要求，開展頂板巖層水力壓裂控制技術研究，通過監(jiān)測回采過程中頂板垮落和礦壓顯現特點，評價水力壓裂控頂效果，得到如下結論：

(1)旺采工作面頂板巖層水力壓裂控制技術是在工作面巷道形成之后，工作面回采前實施，通過聯巷或支巷向煤柱上覆的頂板巖層實施壓裂，預先弱化頂板巖層的整體性。

(2)水力壓裂鉆孔參數根據旺采工作面煤層厚度、采高、工作面回采方式、頂板巖層厚度、巖層結構、圍巖強度綜合確定。神東榆家梁煤礦52煤三盤區(qū)旺采工作面壓裂鉆孔分為L孔和S孔2種，其中壓裂鉆孔S的長度為25.6m，傾角48°，壓裂鉆孔L的長度為33.2m，傾角25°。

(3)工作面回采過程中，采空區(qū)頂板垮落及時、安全。支巷錨桿、錨索及線性支架受力水平均較小，表明工作面礦壓顯現劇烈程度較低，為工作面安全、正常生產創(chuàng)造了良好的應力環(huán)境。水力壓裂控頂技術還有利于增加煤炭資源回收率及防止采空區(qū)煤炭自燃。