秦江波

（山西晉煤集團趙莊煤業(yè)有限責任公司，山西 長子 046600）

13103 巷（原13092 巷）巷道斷面為矩形，沿頂留底掘進，寬度為5000 mm，高為4500 mm，斷面積為22.5 m2，凈寬為4800 mm，凈高為4400 mm，凈斷面積為21.12 m2，采用樹脂加長錨固錨桿組合支護系統(tǒng)，并進行錨索補強。巷道靠北幫頂部布置有瓦斯抽放管，北幫有風水管路等，南幫有電纜、信號線等。卸壓施工區(qū)域為1310 工作面13103 巷區(qū)段，對應(yīng)于13091巷未施工區(qū)域，包括9～11#橫川（220 m）、7#橫川至停采線位置（825 m）。各巷道位置關(guān)系如圖1所示，綜采面頂板各分層的碎脹高度如表1所示。

1 壓裂巖層層位設(shè)計

煤礦井下巖層的垮落帶的實際厚度是指巖層在充分垮落后在采空區(qū)域充分壓實后堆積的高度。不同的地質(zhì)條件下井下巷道垮落帶的巖層厚度計算方式不一致，在綜采面巷道較為平緩的開采面中巖層的垮落帶的理論高度計算公式可表示為：

式中：

M'-綜采面的實際綜采高度，m；

C-煤礦井下實際的綜采作業(yè)煤炭回采率；

KK-煤礦井下垮落帶處垮落的巖石的碎脹系數(shù)。

應(yīng)根據(jù)井下實際情況，結(jié)合垮落帶的分層情況，對煤礦井下巖層的垮落帶實際厚度進行計算。如果各個垮落帶層堆疊后的實際高度超過了垮落帶的理論高度，則垮落帶高度之上的分層可以作為該層級的最后一個分層，則此時垮落帶的實際的巖層厚度就是從最下面到最后一個分層的堆積高度。如果煤層上側(cè)煤層較厚而且不會出現(xiàn)冒頂情況時，應(yīng)對該頂板進行人工垮落處理，人工垮落處理后的堆積高度作為計算實際垮落高度的基準，其判別公式可表示為：

式中：

Hi-從最下層巖層開始到上面第i 層巖層的總厚度，m；

H'i-從最下層巖層開始的第i 層分層的厚度，m；

Ki-從最下層巖層開始的第i 層分層和人工垮落區(qū)巖層厚度的總和；

h-巷道頂板的厚度，m；

Kz-巷道頂板上的巖石碎脹系數(shù)，取1.02～1.3。

綜合以上分析可知，頂板上方12.8～26.0 m 兩層堅硬砂巖層也參與了頂板的移運。由于煤礦井下頂板的實際厚度大而且頂板的硬度較大，難以進行自然垮落，當綜采不斷進行時，采空區(qū)上的頂板懸臂越來越長，在綜采擾動或者礦壓波動下極易導致頂板的突然破斷，進而導致巨大的強壓出現(xiàn)，影響井下綜采作業(yè)的安全性。因此需要人為在頂板上方12.8～26.0 m 范圍堅硬砂巖層制造一些裂隙，使其在采動應(yīng)力、側(cè)向支承應(yīng)力等的疊加影響下，周期性垮落破斷。

圖1 各巷道位置關(guān)系示意圖

表1 各頂板分層碎脹高度計算

2 壓裂鉆孔角度和孔間距分布

對于回采工作面高位堅硬頂板采取的水力壓裂斷頂措施，一般認為逆向工作面推進方向布置壓裂鉆孔，頂板易于形成“砌體梁”平衡結(jié)構(gòu)，對控制頂板更為有效。因此，13103 巷中部壓裂鉆孔方位角280°。一盤區(qū)1310 工作面采用寬煤柱，煤柱尺寸不小于50 m，斷裂煤柱側(cè)向頂板可能性不大。通過在13103 巷順槽非生產(chǎn)幫側(cè)壓裂頂板孔，切斷頂板連續(xù)性，改善13103 巷周圍應(yīng)力環(huán)境，13103 巷非生產(chǎn)幫側(cè)壓裂鉆孔方位角180°。

13103 巷非生產(chǎn)幫側(cè)壓裂鉆孔55°，孔深22 m，深入煤柱水平距離12.6 m，深入頂板垂深16 m。13103 巷中部頂板壓裂孔60°，高位壓裂位置孔深27 m，深入頂板垂深23 m，低位壓裂位置孔深19 m，深入頂板垂深16 m。13103 巷水力壓裂鉆孔布置如圖2 所示。

圖2 13103 巷水力壓裂鉆孔布置結(jié)構(gòu)示意圖

鉆孔間距由壓裂裂縫擴展半徑?jīng)Q定，不同開采條件、不同圍巖條件下的擴展半徑也不盡相同，需要根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果來確定。通過對壓裂鉆孔附近不同距離的控制孔進行觀測，查看裂隙擴展范圍（依據(jù)鉆孔窺視結(jié)果判定）及出水情況，從而確定目標區(qū)域的壓裂裂縫擴展半徑R。為了裂縫間能更好地貫通，鉆孔間距一般不大于2R。根據(jù)頂板水力壓裂在內(nèi)蒙烏審旗地區(qū)礦井工作面施工經(jīng)驗，當注水壓力不小于30 MPa、壓裂時間不小于30 min 的情況下，有效壓裂范圍超過了15 m，因此，在保證卸壓效果的前提下，初期可將水力壓裂鉆孔間距均設(shè)置為15 m。

壓裂鉆孔鉆進時的工藝流程：鉆機移至施工地點→穩(wěn)固鉆機并定方位角、傾角→鉆孔開孔→依次接續(xù)鉆桿施工至壓裂位置→退桿→更換切割刀具→依次接續(xù)鉆桿施工至壓裂位置→旋轉(zhuǎn)割縫→退桿→更換注水鉆桿→安裝壓裂封孔器→依次接續(xù)鉆桿施工至壓裂位置→連接高壓管路→封孔壓裂→退桿→清理現(xiàn)場→移鉆機至下一個施工地點。

3 注水壓力設(shè)計

由于巖體的斷裂韌度參數(shù)的不確定性，因此，在進行注水壓力設(shè)計時，需要根據(jù)煤礦井下綜采面巖層實際的抗拉強度的極限值進行設(shè)計。定向裂縫在如下壓力條件下產(chǎn)生：

式中：

P*z-巖體應(yīng)力，一般以自重應(yīng)力計算；

Rr-巖石極限抗拉強度。趙莊礦1310 工作面埋深700 m 左右，P*z 取17.5 MPa，砂巖極限抗拉強度Rr取3.93 MPa（根據(jù)煤炭科學技術(shù)研究院有限公司安全檢測中心提供的物理力學參數(shù)報告顯示：堅硬砂巖抗拉強度試驗室測定值4.91 MPa，現(xiàn)場按強度80%計算，則Rr=3.93 MPa），則通過計算得到該巖層所需注水壓力為27.86 MPa。由于煤礦井下綜采面巖層密度分布不均勻，同時受到綜采時的機械擾動、礦壓波動的影響，無法精確地對壓裂時的壓力進行計算。上式所計算結(jié)果一般為參考值，在壓裂時可以按此參數(shù)為基礎(chǔ)進行調(diào)節(jié)，滿足對頂板的壓裂需求。壓力越大，越容易將巖層壓裂，流量（流速）越大，壓裂半徑越大，裂紋擴展越快，對于流量的要求為不小于80 L/min。項目部注水泵型號為BZW125/50，其額定工作壓力為40 MPa，流量125 L/min，完全能夠滿足1310 工作面順槽頂板水力壓裂施工需求。

4 應(yīng)用效果分析

為了驗證該水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用效果，趙莊煤礦選擇采用鉆孔窺視的方案對頂板水力的壓裂效果進行分析，觀測設(shè)備采用了ZKXG30 礦用鉆孔成像軌跡檢測裝置。在進行觀測時利用窺視儀的主機界面控制視頻探頭的聚焦和光線調(diào)整，逐步推進并記錄切槽位置、水力壓裂效果等。該鉆孔窺視原理如圖3 所示。

根據(jù)實際觀測效果，鉆孔內(nèi)的巖層完整性高，刀具切槽痕跡平滑，水力壓裂后孔內(nèi)裂隙發(fā)育均勻，擴展性好，在正常情況下保證巖層的穩(wěn)定性，當出現(xiàn)礦壓波動時能夠平穩(wěn)的垮落，自應(yīng)用以來顯著提升了趙莊礦的綜采安全性。

圖3 鉆孔窺視原理示意圖

5 結(jié)論

針對趙莊礦13103 巷道綜采面井下地質(zhì)情況復(fù)雜、易出現(xiàn)頂板垮落的現(xiàn)象，提出了一種在皮帶順槽開展頂板雙向水力壓裂工藝，在高低位頂板巖層中預(yù)制裂隙，使頂板在礦壓作用下及時垮斷，減小機頭區(qū)域頂板逆推進方向和側(cè)向懸頂距，破壞力源及儲能條件，最大限度減弱側(cè)向懸頂對煤柱作用力的方案。根據(jù)實際應(yīng)用表明，該頂板雙向水力壓裂工藝具有操作簡單、壓裂效果好的優(yōu)點，顯著提升了13103 綜采面的綜采作業(yè)效率和頂板穩(wěn)定性。