王永潔

(陜西省榆林市大梁灣煤礦有限公司，陜西 榆陽 719000)

堅硬頂板工作面初采期間，隨著工作面回采，可能會在采空區(qū)大面積懸頂，不能及時垮落從而突然一次性垮落形成“颶風(fēng)”，對工作面內(nèi)人員和設(shè)備造成極大安全威脅。目前，工作面初采期間強制放頂手段主要有兩種：深孔爆破強制放頂和水壓致裂強制放頂。前者受應(yīng)用條件限制，不能用于高瓦斯礦井，另外還具有工程量和炸藥量大、安全性差、成本高、污染井下空氣的缺點；后者與前者相比除了能夠致裂軟化堅硬頂板，還能在一定程度上降低煤層強度、降低截齒等材料消耗及采煤機消耗，同時能增加煤巖層中的水分，有利于降低煤巖塵、防止煤層自燃[1-5]。結(jié)合晉北某煤礦6106工作面的實際條件，采用分段定向水壓致裂進(jìn)行了初采期間的強制放頂。

1 工作面概況

6106工作面的開采位置及井上下關(guān)系見圖1，其中圖1陰影部分為上覆4煤懸頂區(qū)域。

圖1 6號煤工作面上覆老空區(qū)分布情況

6106工作面位于一盤區(qū)，傾斜長度742m，走向長度150m，開采深度為145～166m。地面為坡地和溝谷，北部為芍藥花變電所(已留保護(hù)煤柱)，周圍無建筑物和其他設(shè)施，回采對地表影響很小。該工作面北部與6號煤輔運巷相鄰，西部為已回采的6105工作面，南部和東部為實煤區(qū)，上覆4號煤整合前老窯老空不規(guī)則采空區(qū)以及4102工作面采空區(qū)。

6106工作面上方為不規(guī)則的4號煤層房柱式采空區(qū)，采空區(qū)內(nèi)頂板大多懸而未冒，最大懸頂面積可達(dá)210～1800m2，工作面附近存在一個406活火區(qū)，火區(qū)和老空區(qū)遺煤產(chǎn)生的CO等有毒有害氣體已經(jīng)在4號煤房柱老空區(qū)內(nèi)發(fā)生了擴散，如果在6106工作面采用深孔爆破強制放頂，很有可能導(dǎo)通4號煤老空區(qū)內(nèi)有害氣體發(fā)生安全事故。6106工作面煤層柱狀如圖2所示，工作面頂板粗粒砂巖抗壓強度76.15MPa，頂板細(xì)粒砂巖抗壓強度87.06MPa。

圖2 6106工作面煤層綜合柱狀

2 6106工作面切眼內(nèi)定向水壓致裂強制放頂技術(shù)

2.1 方案確定

通過在6106工作面切眼內(nèi)打試驗鉆孔，測定出6106工作面頂板內(nèi)水壓致裂擴散半徑為7m，考慮擴散半徑部分疊加，確定切眼內(nèi)水壓致裂孔間距為12m，由于工作面兩端頭處頂板相對難以垮落，為了對該區(qū)域頂板進(jìn)行充分致裂弱化，設(shè)計端頭處的水壓致裂孔間距為6m，為了使得冒落下的頂板能充滿采空區(qū)，經(jīng)過計算得出頂板處理高度為13m，考慮到鉆孔內(nèi)6m，12m及孔底處的巖層比較厚，擬在這3個位置用開槽鉆進(jìn)行切槽。詳細(xì)的水壓致裂強制放頂方案如下：

向兩個方向布置水壓致裂孔：垂直于煤壁向工作面前方、平行于工作面向運輸巷方向。水壓致裂孔角度40°(其中回風(fēng)巷端頭最外側(cè)的致裂孔處需補一個傾角60°、孔深15m的致裂孔，以方便對該區(qū)域頂板致裂)，孔徑55mm，孔深20m(在6m，12m，20m處開槽)，工作面內(nèi)水壓致裂孔間距12m，上下端頭處致裂孔間距6m，如圖3所示。

2.2 工藝流程

水壓致裂系統(tǒng)示意如圖4所示，水壓致裂工藝設(shè)備包括3BZ7.1-66-160高壓注水泵(額定功率160kW，最大注水壓力可達(dá)到66MPa)，高壓膠管(可承受住80MPa的水壓)，封孔器(當(dāng)封孔器內(nèi)部水壓超過4MPa時，封孔器會膨脹將孔壁封住，封孔器內(nèi)沒有水壓時，會自動收縮并從孔中滑出)，封隔器(可實現(xiàn)孔內(nèi)指定位置的封孔)，壓力表等。

圖4 水壓致裂系統(tǒng)示意

具體實施流程：

首先利用大功率地質(zhì)鉆機、堅硬巖石專用鉆頭在需壓裂的堅硬頂板上按照設(shè)計要求打孔并在指定位置進(jìn)行開槽，待所有致裂孔施工完畢后，按照以下流程進(jìn)行定向水壓致裂工作：

(1)依照圖4將高壓注水泵、高壓膠管、壓力表、流量計等連接好，檢查連接處的密封性并做好安全防護(hù)。

(2)先將封孔器塞至孔底位置，開啟高壓泵注水20min，對孔底位置的砂巖頂板進(jìn)行專門的致裂弱化；而后拔出封孔器換成封隔器塞至鉆孔內(nèi)12m位置并固定，擬對孔內(nèi)12m位置處進(jìn)行壓裂，達(dá)到弱化該區(qū)域較厚砂巖巖層的目的。

(3)當(dāng)觀察到泵壓突然降低或者鉆孔附近區(qū)域持續(xù)出水時(應(yīng)保證注水時間不低于10min)，關(guān)閉高壓泵，待鉆孔內(nèi)水向外流一段時間后，將封隔器拉出至鉆孔內(nèi)6m位置并固定，擬對孔內(nèi)6m位置處進(jìn)行壓裂，達(dá)到弱化該區(qū)域較厚砂巖巖層的目的。

(4)當(dāng)觀察到泵壓突然降低或者鉆孔附近區(qū)域持續(xù)出水時(應(yīng)保證注水時間不低于10min)，關(guān)閉高壓泵，待鉆孔內(nèi)水向外流一段時間后，將封隔器拔出換成封孔器塞至孔內(nèi)4m位置，開啟高壓泵，對整個鉆孔進(jìn)行一次注水弱化，注水時間15min。

(5)關(guān)閉注水泵，完成鉆孔的致裂弱化。

(6)待鉆孔內(nèi)水向外流一段時間后，將封孔器、高壓膠管拔出，執(zhí)行(2)～(5)步驟開始下一個鉆孔的致裂，直至完成所有孔的致裂。

2.3 現(xiàn)場實施情況

共完成了切眼內(nèi)28個孔的水壓致裂，致裂壓力最大可達(dá)30～60MPa，致裂過程中裂隙以3種不同的方式擴展，通過致裂壓力-壓裂時間變化曲線(圖5)可以看出，壓裂曲線有“降壓穩(wěn)定型”、“不穩(wěn)定波浪型”、“密集鋸齒型”3種形態(tài)?！敖祲悍€(wěn)定型”的壓力突降是由于本致裂孔和鄰近致裂孔裂隙貫通所致；“不穩(wěn)定波浪型”巖層的不均勻性、巖層的滲透率不同、裂縫擴展過程中遇到了原生裂隙或結(jié)構(gòu)面、局部應(yīng)力場變化等原因所致；“密集鋸齒型”表明裂縫每次都以近乎相同并且相對較小的尺寸不斷擴展。

3 效果監(jiān)測

水力壓裂效果的監(jiān)測可采用物探的方法，如地質(zhì)雷達(dá)，瞬變電磁，微震監(jiān)測等方法，成本比較高；可在壓裂孔周圍布置觀測孔，壓裂過程中如果觀測孔有水冒出，可大致確定壓裂的范圍，同時還在觀測孔中通過窺視儀觀測壓裂后裂紋的方向；可進(jìn)行全面、系統(tǒng)的礦壓監(jiān)測，包括頂板位移與離層、支架受力狀況、頂板來壓步距，巷道圍巖位移、支護(hù)體受力，通過處理與分析礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，評價水力壓裂控制頂板的效果。采用在壓裂孔周圍布置觀測孔進(jìn)行鉆孔窺視和礦壓監(jiān)測兩種手段對致裂效果進(jìn)行了監(jiān)測。

圖5 致裂壓力-壓裂時間變化曲線

3.1 鉆孔窺視

在兩個水壓致裂孔中間布置了監(jiān)測孔，分別對水壓致裂前后鉆孔內(nèi)的裂隙發(fā)育情況進(jìn)行了鉆孔窺視，水壓致裂前后監(jiān)測孔內(nèi)裂隙發(fā)育情況如圖6所示。從圖中可以看出，水壓致裂后，頂板內(nèi)的裂隙明顯增多。

3.2 礦壓監(jiān)測

為了監(jiān)測水壓致裂強制放頂效果，每隔5個支架安裝了1個支架壓力記錄儀，通過對工作面支架壓力數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，采用定向水壓致裂強制放頂后，工作面推進(jìn)至32m時即發(fā)生初次來壓，隨著工作面開采，平均每18m發(fā)生1次周期來壓，來壓動載系數(shù)1.3，來壓強度也比較緩和，如圖7所示。這與常規(guī)房柱式采空區(qū)下長壁開采常發(fā)生“大小周期來壓”且動壓顯現(xiàn)強烈情況不同[6-10]，這說明切眼內(nèi)定向水壓致裂強制放頂技術(shù)取得了良好效果。

圖6 水壓致裂前后頂板巖層裂隙發(fā)育情況

圖7 6106工作面來壓規(guī)律曲線

4 結(jié) 論

針對朔州礦區(qū)房柱式采空區(qū)下采用爆破強制放頂作業(yè)時可能存在的安全隱患，引入了分段定向水壓致裂強制放頂技術(shù)手段。通過在晉北某煤礦6106工作面進(jìn)行了初采期間的強制放頂工業(yè)性應(yīng)用，得到以下結(jié)論：

(1)在6106工作面切眼內(nèi)布置了28個水壓致裂鉆孔進(jìn)行了定向分段水壓致裂，壓力最高可達(dá)30～60MPa，致裂過程中裂隙以3種不同的方式擴展，通過致裂壓力-壓裂時間變化曲線可以看出，壓裂曲線有“降壓穩(wěn)定型”、“不穩(wěn)定波浪型”、“密集鋸齒型”3種形態(tài)。

(2)通過現(xiàn)場觀測、鉆孔窺視發(fā)現(xiàn)致裂后頂板巖層裂隙發(fā)育，初次來壓步距縮短，避免了初采期間采空區(qū)大面積懸頂，回采期間工作面礦壓顯現(xiàn)緩和，保證了工作面的安全回采。