張鐵剛

【摘 要】 為了解決堅(jiān)硬頂板回采工作面開(kāi)采時(shí)面臨的頂板垮落困難、垮落步距大、礦壓顯現(xiàn)明顯等問(wèn)題，根據(jù)6508回采工作面地質(zhì)、開(kāi)采條件采用水力壓裂技術(shù)對(duì)頂板進(jìn)行壓裂，并對(duì)壓裂后的頂板垮落、來(lái)壓情況以及初次來(lái)壓步距等進(jìn)行分析。結(jié)果表明：水力壓裂后的采面初次來(lái)壓步距平均在44.5m，較采用預(yù)裂爆破技術(shù)來(lái)壓步距縮短8m，同時(shí)避免預(yù)裂爆破帶來(lái)的安全隱患大、爆破動(dòng)壓明顯等問(wèn)題，具有施工安全、工作量小、施工速度快、頂板控制效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，可以有效解決堅(jiān)硬頂板工作面頂板難垮落問(wèn)題，為礦井實(shí)現(xiàn)高效開(kāi)采創(chuàng)造良好條件。

【關(guān)鍵詞】 堅(jiān)硬頂板;水力壓裂;頂板控制;礦壓;來(lái)壓步距

【中圖分類(lèi)號(hào)】 TD32 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】 2096-4102（2020）02-0010-03

我國(guó)煤炭開(kāi)采頂板管理一般采用全部垮落法，但當(dāng)煤層頂板堅(jiān)硬、節(jié)理裂隙不發(fā)育時(shí)，頂板不能隨煤層開(kāi)采后及時(shí)垮落，大面積懸露于采空區(qū)內(nèi)。一旦垮落會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)，甚至頂板垮落帶來(lái)的颶風(fēng)會(huì)沖垮回采工作面、造成風(fēng)流逆轉(zhuǎn)，給礦井生產(chǎn)埋下安全隱患。眾多的研究學(xué)者對(duì)堅(jiān)硬頂板控制展開(kāi)研究，潘岳等從理論方面出發(fā)，對(duì)堅(jiān)硬頂板煤層回采期間老頂斷裂時(shí)的能量變化進(jìn)行計(jì)算求解;于斌等以塔山礦K3砂巖老頂為研究對(duì)象，對(duì)水力壓裂影響范圍進(jìn)行研究;黃炳香等在分析煤、巖體力學(xué)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)水力壓裂裂縫擴(kuò)展進(jìn)行研究，并提出對(duì)應(yīng)的裂縫擴(kuò)展控制技術(shù)，并在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用?；诖耍闹幸陨轿髂车V6508回采工作面為研究對(duì)象，將水力壓裂技術(shù)應(yīng)用到堅(jiān)硬頂板控制方面，以期能降低頂板下沉垮落期間引起的礦壓顯現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)采面安全生產(chǎn)。

1工程概況

6508回采工作面開(kāi)采6號(hào)煤層，埋藏深度在340～380m，采面傾向長(zhǎng)300m，走向長(zhǎng)2600m，煤層及頂?shù)装鍘r性見(jiàn)圖1。6號(hào)煤層直接頂泥巖，抗壓強(qiáng)度在4.3～17.6MPa，普氏系數(shù)（f值）在0.83～2.65;老頂為堅(jiān)硬細(xì)粒砂巖，裂隙及節(jié)理不發(fā)育，抗壓強(qiáng)度在84.9～167.7MPa，普氏系數(shù)（f值）在9.17～16.32，平均13.6。根據(jù)以往開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，采面推進(jìn)50m時(shí)，老頂仍不能及時(shí)垮落，需要采用深孔爆破方式強(qiáng)制放頂。但是采用深孔爆破存在安全隱患大、爆破動(dòng)壓明顯，爆破產(chǎn)生有毒有害氣體等問(wèn)題。因此，在6508回采工作面采用水力壓裂控頂技術(shù)。

2水力壓裂控頂技術(shù)

2.1壓裂鉆孔布置方案

6508回采工作面老頂為厚度在13m左右堅(jiān)硬砂巖，整體性強(qiáng)，裂隙、節(jié)理不發(fā)育，頂板初次垮落時(shí)需要采用頂板軟化措施。根據(jù)回采工作地質(zhì)、巷道布置情況以及有關(guān)水力壓裂技術(shù)研究成果，對(duì)采面水力壓裂鉆孔進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體為：

在回采工作面開(kāi)切眼內(nèi)施工壓裂鉆孔L、S，并在回采巷巷道內(nèi)布置兩個(gè)壓裂鉆孔A，壓裂鉆孔布置見(jiàn)圖2。

在切眼內(nèi)施工22個(gè)S鉆孔，鉆孔傾角40°，深度33m，鉆進(jìn)長(zhǎng)度共計(jì)726m，具體布置見(jiàn)圖3（a）;布置17個(gè)L鉆孔，鉆孔傾角25°，深度35m，鉆進(jìn)長(zhǎng)度共計(jì)595m，具體布置見(jiàn)圖3（b）。在回采巷道內(nèi)布置A鉆孔（A1-A4），傾角20°，孔深47m，鉆進(jìn)長(zhǎng)度共計(jì)188m，具體布置見(jiàn)圖3（c）。

2.2水力壓裂鉆孔施工工藝

采用普通回轉(zhuǎn)鉆機(jī)施工水力壓裂鉆孔，在鉆孔內(nèi)安設(shè)封孔器，通過(guò)儲(chǔ)能器以及手動(dòng)泵實(shí)現(xiàn)鉆孔封孔，最后連接高壓水泵進(jìn)行水力壓裂。鉆孔鉆進(jìn)可以與水力壓裂工作平行開(kāi)展，但是作業(yè)間間距應(yīng)控制在50m以上。壓裂采用3ZSB80/62-90高壓水泵，電機(jī)功率為90kW。

壓裂時(shí)水泵進(jìn)水端為靜壓水，出水端與高壓膠管采用A型扣壓連接;高壓膠管另一端與注水鋼管用快速連接方式連接。檢查連接管路密閉性，確認(rèn)連接密實(shí)后高壓水泵通水后試運(yùn)行，無(wú)故障時(shí)正式壓裂。

在水力壓裂設(shè)備、管路連接、安裝、調(diào)試等工作完成后，將密封器推至壓裂位置，對(duì)封孔器進(jìn)行加壓，觀察鉆孔及壓力表，核驗(yàn)封孔器是否保壓。若壓力降低明顯或鉆孔內(nèi)有水流溢出表明壓裂鉆孔封孔失效，需要對(duì)封孔器本身、各連接處進(jìn)行檢查，確保鉆孔封孔正常后方可繼續(xù)壓裂。

在壓裂中距壓裂孔50m外設(shè)警戒線，確保壓裂期間無(wú)其他相關(guān)人員通過(guò)，壓裂操作人員應(yīng)在距離壓裂孔外20m且支護(hù)條件良好位置。高壓水泵開(kāi)始?jí)毫押髴?yīng)緩慢加壓，同時(shí)記錄高壓水泵、手動(dòng)泵壓力變化情況，繼續(xù)增加水泵壓力直至砂巖被壓裂出縫隙，此時(shí)壓力會(huì)突然降低，繼續(xù)保壓注水從而使得裂縫擴(kuò)展得以繼續(xù)，實(shí)現(xiàn)軟化頂板堅(jiān)硬砂巖目的。當(dāng)監(jiān)測(cè)孔內(nèi)有大量壓裂水流出時(shí)，可停止壓裂，具體停止順序?yàn)椋焊邏核脭嚯姟Ｋ饪灼餍秹骸顺鲢@孔。最后采用鉆孔窺視儀對(duì)水力壓裂效果進(jìn)行窺視。

3壓裂效果分析

3.1頂板垮落情況

2019年6月26日，6508回采工作面機(jī)頭推進(jìn)至11m位置、機(jī)尾推進(jìn)至7m位置處時(shí)，采面中部32～128號(hào)支架頂板開(kāi)始垮落;27號(hào)機(jī)頭推進(jìn)至12.8m、機(jī)尾推進(jìn)至8.8m位置處時(shí)，采面機(jī)頭處3～32號(hào)、機(jī)尾129～173號(hào)支架頂板開(kāi)始垮落;機(jī)頭推進(jìn)至21m、機(jī)尾推進(jìn)至18m位置時(shí)，采面兩側(cè)頂板垮落，此時(shí)采空區(qū)老頂全部垮落，具體采面推進(jìn)過(guò)程中老頂垮落記錄情況見(jiàn)表1。

3.2采面老頂來(lái)壓

回采工作面回采推進(jìn)過(guò)程中，每隔9個(gè)液壓支架布置一個(gè)壓力計(jì)對(duì)支架工作阻力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4。

7月2日回采工作面機(jī)頭推進(jìn)至36.5m、機(jī)尾推進(jìn)至32m位置時(shí)，采面10～22號(hào)支架率先來(lái)壓，工作阻力為38.6MPa，煤壁出現(xiàn)片幫（深度100mm以內(nèi)），10號(hào)、15號(hào)支架安全閥開(kāi)啟。

7月4日回采工作面機(jī)頭推進(jìn)至48.6m、機(jī)尾推進(jìn)至38.5m位置時(shí)，采面25～33號(hào)、60～83號(hào)、125～138號(hào)支架來(lái)壓，工作阻力為39.5MPa，煤壁出現(xiàn)片幫（深度100～150mm），部分支架出現(xiàn)漏矸現(xiàn)象，32、62、65等支架安全閥開(kāi)啟。