楊軍輝

(冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺 054000)

底板突水是煤礦開采過程中遇到的最主要的水害形式之一[1]。隨著開采深度的增加，底板含水層呈現(xiàn)高水壓特點(diǎn)[2]，且同時煤層受到多種水體的威脅，特別是承受高水壓奧陶系灰?guī)r含水層，工作面突水概率增大，突水事故增多[3]，嚴(yán)重制約了礦井的安全生產(chǎn)。我國學(xué)者針對底板突水防治問題進(jìn)行了大量而卓有成效的研究。武強(qiáng)[4]全面總結(jié)我國礦井水防控技術(shù)并提出了存在的問題和發(fā)展方向；許延春等[5]分析了焦作礦區(qū)注漿加固工作面底板突水原因及防治技術(shù)；張建等[6]針對巨厚火成巖與奧灰水雙重脅迫下應(yīng)用了充填開采或強(qiáng)制放頂開采技術(shù)為主配合疏水降壓的防治水技術(shù)；周楊[7]和金鑫[8]研究了薄隔水層開采探防治技術(shù)。舒宗運(yùn)等[9]提出了復(fù)雜構(gòu)造條件下“勘查—評價—防治”防突水關(guān)鍵技術(shù)體系；蔡仲秋[10]研究了復(fù)雜地質(zhì)條件下多含水層底板突水注漿防治技術(shù)；趙慶彪在邯邢礦區(qū)采取區(qū)域超前治理技術(shù)，解決了隱伏構(gòu)造隱蔽性難探查問題[11，12]。但目前針對高水壓下孤島工作面動載作用下底板突水危險性和防治技術(shù)的研究較少。本文以河北邢東煤礦高水壓孤島工作面為研究對象，采用理論分析底板突水危險性及主控因素，進(jìn)而提出高水壓孤島工作面水力壓裂底板突水防治技術(shù)并應(yīng)用于現(xiàn)場，最后通過礦壓監(jiān)測和微震監(jiān)測評價防治效果，該底板突水防治技術(shù)的成功應(yīng)用可以為同類地質(zhì)條件下底板突水防治提供一定借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

邢東煤礦2129工作面是2100采區(qū)下山煤柱工作面，位于F22斷層和2222工作面采空區(qū)以北，2123、2124、2125、2126工作面采空區(qū)以南，為兩側(cè)采空的孤島煤柱回采工作面，2129工作面布置空間關(guān)系如圖1所示。該工作面平均埋深為1125m，工作面長度為93m，平均采高為3.95m，所采煤層為2#煤，煤層結(jié)構(gòu)簡單，厚度穩(wěn)定，煤層傾角平均11°。采用仰斜綜合機(jī)械化采煤法，全部垮落法管理頂板。工作面煤層底板距奧灰水頂部約174m，奧灰水壓約10MPa。工作面回采前對奧灰水含水層進(jìn)行了采區(qū)區(qū)域注漿治理。

圖1 2129工作面布置

2 底板突水危險性分析

煤層底板突水危險性與含水層、隔水層、地質(zhì)構(gòu)造和底板采動破壞深度等密切相關(guān)[13]。而《煤礦防治水細(xì)則》中突水系數(shù)公式未考慮采動影響和含水層導(dǎo)升高度的影響。因此根據(jù)“下三帶”理論[14]，選取考慮承壓水導(dǎo)升帶和采動破壞帶影響的改進(jìn)突水系數(shù)計算公式為：

式中，Ts為突水系數(shù)，MPa/m；Pw為承壓水含水層水壓，MPa；Hw為工作面底板距離承壓水含水層的實(shí)際距離，m；h1為底板采動破壞深度，m；hd為承壓水導(dǎo)升帶高度，m。

參照臨近2222工作面的底板采動破壞深度50m計算，將2129工作面各個參數(shù)代入式(1)得到該工作面底板突水系數(shù)為Ts≈0.081MPa/m。盡管式(1)計算值較《細(xì)則》中突水系數(shù)公式計算值偏大，但參照《煤礦防治水細(xì)則》(以下稱為《細(xì)則》)第七十四條“區(qū)域治理工程結(jié)束后，對工程效果做出結(jié)論性評價，提交竣工報告，由煤炭企業(yè)總工程師組織驗(yàn)收。采煤工作面突水系數(shù)按附錄五式(附5-2)計算，不得大于0.1MPa/m”中對區(qū)域治理后臨界突水系數(shù)的規(guī)定，以及參照邯邢礦區(qū)臨界突水系數(shù)0.066～0.076MPa/m[15](未采用區(qū)域治理)，式(1)計算值仍小于《細(xì)則》規(guī)定值，表明采用突水系數(shù)法判定該工作面突水危險性小。但是臨近工作面區(qū)域治理后仍出現(xiàn)突水現(xiàn)象，如2126工作面以及二采區(qū)2228工作面均為區(qū)域治理后底板突水。分析發(fā)現(xiàn)該開采水平已突水工作面均是在頂板劇烈來壓時發(fā)生底板突水災(zāi)害。而相比臨近已突水工作面開采地質(zhì)條件該工作面更加復(fù)雜，采用帶壓開采頂板劇烈來壓時底板突水危險性增大。2129工作面在回采前進(jìn)行了地面區(qū)域治理，hd可近似等于0m，故可通過減小來壓時底板采動破壞深度來減小底板突水危險性。

基本頂來壓時產(chǎn)生的動載荷[16，17]為：

式中，M為采高，m；Σh為直接頂厚度，m；Kp為巖石碎脹系數(shù)，取1.3；Ed為底板巖層彈性模量，GPa；γB為基本頂?shù)捏w積力，kN/m3；hB為基本頂厚度，m；L為頂板來壓步距，m；η為應(yīng)力衰減指數(shù)，參照巖石的應(yīng)力波衰減指數(shù)η=2-μ/(1-μ)，μ為巖石的泊松比；x為自震動源傳載至煤層的距離，m；Ld為頂板來壓時直接頂懸頂距，m。

受頂板來壓動載作用的底板破壞深度公式為[16]：

式中，k為應(yīng)力集中系數(shù)，一般取2～3；γ為頂板巖層平均容重，kN/m3；H為煤層埋深，m；γd為底板巖層平均容重，kN/m3；σc為底板巖體抗壓強(qiáng)度，kPa；ε為三軸應(yīng)力系數(shù)，ε=(1+sinφ0)/(1-sinφ0)，其中，φ0為煤層內(nèi)摩擦角，(°)。

由式(2)和式(3)可知，通過減小基本頂來壓步距(L)可降低來壓動載強(qiáng)度和減小底板采動破壞深度，以及采動應(yīng)力對底板隔水層和構(gòu)造帶的影響程度，從而降低底板突水危險性。因此提出高水壓下孤島工作面頂板水力壓裂卸壓底板突水防治技術(shù)。

3 水力壓裂控制技術(shù)及防治效果

3.1 水力壓裂技術(shù)方案

在2129運(yùn)料巷和運(yùn)輸巷分別布置鉆孔24組和23組。將回采幫側(cè)(正幫側(cè))鉆孔稱為A孔，煤柱幫側(cè)(副幫側(cè))鉆孔稱為B孔。具體布置參數(shù)為：運(yùn)料巷內(nèi)回采幫側(cè)布置A孔24個，仰角30°，鉆孔長度50m；煤柱幫側(cè)B孔24個，仰角30°，與巷道夾角10°，鉆孔長度50m。運(yùn)輸巷內(nèi)回采幫側(cè)布置A孔23個，仰角30°，鉆孔長度50m，煤柱幫側(cè)B孔23個，仰角30°，與巷道夾角10°，鉆孔長度50m。水力壓裂鉆孔布置如圖2所示。

圖2 水力壓裂鉆孔布置

3.2 施工工藝

3.2.1 鉆孔施工

利用地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔作業(yè)。待鉆孔完成后，鉆孔隊(duì)伍進(jìn)行下一個鉆孔作業(yè)，在完成的鉆孔中安裝封孔器，利用手動泵和儲能器封孔，最后連接高壓泵實(shí)施壓裂。施工打鉆鉆孔工作和鉆孔壓裂工作可平行作業(yè)，但是二者施工間距至少40m，以保證人員安全。

3.2.2 壓裂作業(yè)流程

1)安裝封孔器。安裝、連接和調(diào)試儀器各項(xiàng)環(huán)節(jié)完成后，連接注水鋼管將封孔器推入預(yù)壓裂鉆孔，連接注水鋼管直至推送至預(yù)壓裂位置，手動泵加壓封孔器，觀察鉆孔并監(jiān)測壓力表，檢驗(yàn)封孔器能否保壓，若鉆孔中有水流出或壓力下降明顯，說明封孔失效，檢查封孔器各個連接處及封孔器本身，找出并解決問題，確保封孔器正常工作。

2)加壓壓裂。開始壓裂前必須設(shè)置警戒線，在距離壓裂孔前后兩側(cè)20m處拉警戒，壓裂過程中除壓裂人員外嚴(yán)禁其他人員通行，壓裂設(shè)備及人員與壓裂孔間距至少20m。開始壓裂時，先將高壓水泵通水然后通電，開始緩慢加壓。壓裂過程中采集水泵壓力表和手動泵壓力表數(shù)據(jù)，持續(xù)加壓當(dāng)壓力突然下降時，保持注水壓力使壓裂裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，同時水的潤濕作用也會軟化頂板巖層。

3)壓裂監(jiān)測。當(dāng)觀察到附近觀測孔或者錨索孔開始冒出大量的水時，停止繼續(xù)加壓，關(guān)閉壓裂高壓水泵，停止供水，封孔器卸壓拔出鉆孔，壓裂孔水力壓裂完成。

3.3 壓裂鉆孔窺視

為檢驗(yàn)頂板水力壓裂卸壓底板突水防治技術(shù)效果，當(dāng)附近觀測孔或錨索孔冒出大量壓裂水即可判定壓裂成功，同時現(xiàn)場采用鉆孔窺視儀可視化的觀測鉆孔壓裂前后的裂縫產(chǎn)生情況，壓裂前后鉆孔窺視對比結(jié)果如圖3所示，壓裂后鉆孔壁可見明顯裂縫和破碎帶。

圖3 壓裂前后鉆孔窺視對比圖

3.4 應(yīng)用效果

3.4.1 礦壓監(jiān)測結(jié)果分析

分析統(tǒng)計工作面回采期間液壓支架的周期來壓步距，平均來壓步距為5.25m，較相鄰2222工作面平均來壓步距22m減小了76%，來壓動載系數(shù)最大值為1.47。現(xiàn)場礦壓監(jiān)測結(jié)果表明頂板來壓步距和頂板來壓強(qiáng)度明顯減小，頂板水力壓裂效果較好。

3.4.2 微震監(jiān)測結(jié)果分析

2129工作面回采期間微震監(jiān)測結(jié)果可知，底板微震事件集中在2#煤至野青含水層之間的底板巖層，底板破壞深度沒有超過野青層位，根據(jù)有關(guān)鉆孔資料，2129工作面煤層距底板薄層灰?guī)r含水層野青灰?guī)r約46m。以2129工作面推進(jìn)至211m為例分析底板破壞微震事件分布特征，底板微震事件分布如圖4所示，由圖4(b)可知沿工作面推進(jìn)方向底板破壞微震事件大多集中在工作面附近及超前工作面30m范圍內(nèi)。沿工作面長度方向底板破壞微震事件呈非對稱分布形態(tài)如圖4(c)所示，運(yùn)料巷底板微震事件個數(shù)明顯比運(yùn)輸巷側(cè)多，破壞深度更大、破壞范圍更廣，主要原因是運(yùn)料巷側(cè)受斷層的影響，采動引起斷層的活化，微震事件增多，而運(yùn)輸巷側(cè)的多個工作面采空區(qū)已停采3～10a，采空區(qū)基本已經(jīng)完全壓實(shí)穩(wěn)定。運(yùn)輸巷側(cè)的底板微震事件主要發(fā)生在與采空區(qū)之間的保護(hù)煤柱正下方。運(yùn)輸巷與采空區(qū)間的保護(hù)煤柱留設(shè)在15～40m，保護(hù)煤柱受到采空區(qū)殘余支承壓力和本工作面采動擾動應(yīng)力疊加作用，產(chǎn)生應(yīng)力集中，底板壓縮變形破壞，產(chǎn)生少量底板微震事件。整個工作面回采期間底板未形成導(dǎo)水通道，未發(fā)生底板突水現(xiàn)象。

圖4 底板微震事件分布圖

4 結(jié) 論

1)2129工作面臨近斷層、受底板奧灰水高承壓水壓作用，且為孤島工作面受臨近采空區(qū)殘余支承壓力疊加作用，回采期間頂板來壓動載作用將增強(qiáng)，帶壓開采底板突水危險性較大。

2)根據(jù)附近已突水工作面頂板劇烈來壓突水特點(diǎn)，減小頂板來壓步距可降低來壓動載強(qiáng)度和減小底板采動破壞深度，從而降低底板突水危險性，因此提出了頂板水力壓裂卸壓底板突水防治技術(shù)。

3)礦壓監(jiān)測結(jié)果表明平均來壓步距為5.25m，較相鄰2222工作面平均來壓步距22m減小了76%，來壓動載系數(shù)最大值為1.47；微震監(jiān)測結(jié)果表明底板未形成突水通道。提出的水力壓裂卸壓技術(shù)能有效降低底板突水危險性，保障深井高水壓孤島工作面帶壓安全開采。