張 功

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司安全管理監(jiān)察局，山西 大同 037003）

1 工程概況

煤峪口煤礦307 盤區(qū)8703 工作面位于南信莊村南部，工作面走向長(zhǎng)度為300m，傾斜長(zhǎng)度為155m。11#煤層構(gòu)造簡(jiǎn)單，煤厚變異系數(shù)為28.90%，屬較穩(wěn)定煤層。11#煤層平均厚度為4.88m，平均傾角為4°?；卷敒榇稚皫r與粉砂巖互層，平均厚度5.0m；直接頂為粉砂巖與細(xì)粒砂巖互層，平均厚度3.2m；偽頂為粉砂巖，平均厚度1.4m；直接底為細(xì)砂巖，平均厚度為3.3m。通過(guò)對(duì)已采工作面礦壓顯現(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)8703 工作面來(lái)壓期間，直接頂初次垮落的步距在10～20m 之間，基本頂初次來(lái)壓步距在40m 左右。為避免工作面堅(jiān)硬頂板大面積突然垮落引發(fā)嚴(yán)重的沖擊礦壓、颶風(fēng)等災(zāi)害，擬在8703 工作面初采前對(duì)頂板進(jìn)行水力壓裂弱化處理，降低堅(jiān)硬頂板應(yīng)力集中現(xiàn)象，保證工作面的安全回采。

2 水力壓裂弱化頂板技術(shù)

2.1 基本原理

工作面頂板巖層由諸多復(fù)雜的礦物質(zhì)組合而成，礦物質(zhì)中包含了許多遇水易產(chǎn)生膨脹的黏土礦物，在水的滲透作用下，巖體的結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)會(huì)發(fā)生一定的變化，致使巖體礦物顆粒的黏結(jié)力降低，出現(xiàn)巖體強(qiáng)度下降現(xiàn)象[1]。水對(duì)巖體強(qiáng)度的影響主要體現(xiàn)在水壓影響與滲流影響兩方面。巖體作為一種具有節(jié)理、裂隙的各向非均質(zhì)性材料，在水壓作用下，巖體內(nèi)部礦物顆粒之間的摩擦阻力、巖體破裂面的正壓力均會(huì)出現(xiàn)不同程度的降低，隨著水體的滲流，巖體內(nèi)部的節(jié)理、裂隙會(huì)進(jìn)一步地延伸與擴(kuò)展，從而破壞巖體的整體結(jié)構(gòu)，降低巖體的強(qiáng)度[2]。水力壓裂弱化堅(jiān)硬頂板技術(shù)就是利用水對(duì)巖體強(qiáng)度的影響特點(diǎn)，利用高壓設(shè)備在堅(jiān)硬、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較強(qiáng)的頂板巖層中注入高壓水，在水壓與水體滲流的共同作用下，破壞巖層的理化性質(zhì)，促使巖體內(nèi)部的節(jié)理與裂隙進(jìn)一步發(fā)育、擴(kuò)展，降低堅(jiān)硬頂板的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)堅(jiān)硬頂板的弱化控制[3]。

2.2 技術(shù)特征

（1）水力壓裂弱化頂板技術(shù)獨(dú)立性強(qiáng)，對(duì)工作面進(jìn)行正?；夭傻挠绊懶耘c干擾性較小。

（2）同傳統(tǒng)通過(guò)爆破強(qiáng)制放頂、控制巷道穩(wěn)定性的技術(shù)相比，水力壓裂技術(shù)具有更好的安全性，特別是針對(duì)高瓦斯礦井，水力壓裂技術(shù)具有較廣闊的應(yīng)用前景[4]。

（3）水力壓裂鉆孔數(shù)量小，勞動(dòng)強(qiáng)度低，施工效率高[5]。

（4）技術(shù)方法的操作性、適用性強(qiáng)。我國(guó)煤礦大多以長(zhǎng)壁式綜合機(jī)械化采煤法進(jìn)行煤炭的回采，由于工作面推進(jìn)速度較快，對(duì)采空區(qū)頂板垮落的及時(shí)性有較高的要求，通過(guò)水力壓裂技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)堅(jiān)硬頂板的定向壓裂，確保頂板能夠及時(shí)垮落。

3 工程實(shí)踐

3.1 鉆孔布置

3.1.1 切眼內(nèi)鉆孔布置

在工作面切眼內(nèi)沿煤壁正幫的位置處布置一排間距為15m 的定向鉆孔，鉆孔與頂板呈60°夾角，孔口位置距煤幫偏移0.5m，施工深度17m，垂深15m。如圖1 所示。

3.1.2 端頭順槽內(nèi)鉆孔布置

在工作面切眼端頭順槽內(nèi)布置8 個(gè)鉆孔，在距煤壁線20m 處打設(shè)第一個(gè)鉆孔，各鉆孔間距20m，鉆孔與頂板呈70°夾角?？卓谖恢镁喽祟^順槽副幫壁0.5m，施工深度16m，垂深15m。如圖2 所示。

3.2 鉆孔施工

設(shè)計(jì)在工作面頂板上共計(jì)布置7 個(gè)定向壓裂鉆孔，編號(hào)為1#～7#，即在2703 巷靠近切眼40m、60m 位置處布置2 個(gè)壓裂鉆孔，在8703 切巷靠近16#支架孔、42#支架孔、56#支架孔、90#支架孔位置處布置4 個(gè)壓裂鉆孔，在5703 巷靠近切眼40m的位置處布置1 個(gè)壓裂鉆孔。各壓裂鉆孔封孔段長(zhǎng)度為14m，封孔段自前端進(jìn)入老頂巖層，對(duì)頂板進(jìn)行定向水力壓裂。各壓裂鉆孔施工情況如表1 所示。

圖1 切眼內(nèi)鉆孔布置剖面圖

圖2 端頭順槽內(nèi)鉆孔布置剖面圖

表1 鉆孔施工情況表

4 工程應(yīng)用效果

4.1 水力壓裂裂隙擴(kuò)展效果

經(jīng)過(guò)為期3d 的現(xiàn)場(chǎng)施工，上覆堅(jiān)硬頂板水力致裂成套設(shè)備均能正常運(yùn)行和使用。對(duì)8703 切巷靠近16#支架孔的壓裂情況進(jìn)行觀測(cè)，確定水力壓裂裂縫的擴(kuò)展半徑約為13～18m，裂隙擴(kuò)展程度較高，水力壓裂施工效果較好。16#支架孔注水前與注水后孔內(nèi)裂縫對(duì)比圖如圖3 所示。

圖3 16#支架孔注水前與注水后孔內(nèi)裂縫對(duì)比圖

4.2 頂板冒落效果

在對(duì)堅(jiān)硬頂板采用水力壓裂施工工藝后，對(duì)工作面初采期間的頂板冒落情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在工作面推進(jìn)至10m 時(shí)，巷道直接自工作面中部向兩端持續(xù)垮落，工作面推進(jìn)至16m 時(shí)，基本頂出現(xiàn)垮落，在6 天內(nèi)基本頂垮落完成。頂板垮落表現(xiàn)為分層、分次及時(shí)垮落，在整個(gè)垮落周期，工作面基本頂初次來(lái)壓步距約為25m，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度較低，工作面未產(chǎn)生劇烈的震動(dòng)現(xiàn)象，圍巖穩(wěn)定性得到了有效的控制，實(shí)現(xiàn)了安全回采的目標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

堅(jiān)硬頂板強(qiáng)度高、整體性強(qiáng)、隨工作面推進(jìn)難以及時(shí)垮落的特點(diǎn)是造成礦井強(qiáng)烈沖擊地壓的重要因素之一。針對(duì)8703 工作面頂板進(jìn)行了水力壓裂弱化處理，頂板冒放性大大提高，工作面礦壓顯現(xiàn)程度明顯降低。此外，在對(duì)頂板進(jìn)行水力壓裂后，積聚在煤巖體內(nèi)部的游離瓦斯得到較好的釋放，在一定程度上避免了瓦斯積聚超限現(xiàn)象。水力壓裂技術(shù)在煤峪口煤礦8703 工作面頂板治理中取得了較好的應(yīng)用效果，為礦井處理類似問(wèn)題提供了一定的借鑒與參考。