溫忠強(qiáng)

(山西介休義棠城峰煤業(yè)有限公司，山西 介休 032000)

千萬(wàn)噸級(jí)礦井生產(chǎn)過(guò)程中，為了降低煤炭損失及減少搬家倒面的次數(shù)，回采巷道的長(zhǎng)度在3 000～7 000 m左右，工作面推進(jìn)方向超長(zhǎng)。因此，為了保證采掘順利接續(xù)，同時(shí)又避免已掘的巷道放置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，往往在上一工作面回采的同時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行下一個(gè)工作面巷道的掘進(jìn)，這使得回采工作面和掘進(jìn)工作面迎頭相遇的情況越來(lái)越普遍。伴隨著采掘交鋒問(wèn)題的突出，迎采巷道大變形、支護(hù)部分失效，甚至局部冒頂?shù)膯?wèn)題也愈加突出，這對(duì)礦井的安全高效生產(chǎn)造成了嚴(yán)重影響。

山西馬蘭礦18106工作面和18104工作面相鄰，煤柱的留設(shè)寬度為20 m，且煤柱上方近距離存在一層厚硬的中粗砂巖。18106掘進(jìn)工作面與18104回采工作面相向施工時(shí)，在掘進(jìn)工作面前后會(huì)經(jīng)歷兩次應(yīng)力時(shí)段產(chǎn)生強(qiáng)烈震感，第一次是由于超前支撐壓力的作用，導(dǎo)致掘進(jìn)巷道出現(xiàn)應(yīng)力集中，第二次則為工作面采空區(qū)頂板會(huì)彎曲下沉導(dǎo)致靠采空區(qū)側(cè)的壓力瞬間釋放，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)研究表明，掘進(jìn)工作面和回采工作面相遇時(shí)會(huì)造成頂板的二次擾動(dòng)，這是導(dǎo)致掘進(jìn)巷道出現(xiàn)大面積破壞的主要原因，所以，實(shí)施頂板水力壓裂是解決掘進(jìn)巷道變形問(wèn)題的根本措施。

1 工作面概況

1.1 地質(zhì)條件

山西馬蘭礦位于山西省古交市以東，距古交市區(qū)約14 km，行政區(qū)劃屬古交市管轄。批準(zhǔn)開(kāi)采02～9號(hào)煤層，生產(chǎn)能力為90萬(wàn)t/a，井田面積為18.250 5 km2，東西長(zhǎng)約4.8 km，南北寬約4 km，標(biāo)高為+820～+430 m，目前主要開(kāi)采2號(hào)、8號(hào)煤層，2號(hào)煤層厚0.50～2.60 m，平均1.64 m，8號(hào)煤層厚度1.40～2.11 m，平均1.83 m。礦井采煤工作面采用傾斜長(zhǎng)壁后退式一次采全高開(kāi)采，頂板管理為全部垮落法；采煤工藝為綜合機(jī)械化開(kāi)采，掘進(jìn)工藝為綜合機(jī)械化掘進(jìn)，采掘巷道采用錨網(wǎng)索鋼帶支護(hù)，開(kāi)拓巖巷采用錨網(wǎng)索噴漿支護(hù)。

根據(jù)相關(guān)資料可知，18104工作面主采8號(hào)煤層對(duì)應(yīng)的標(biāo)高為+765 m；蓋山厚度變化區(qū)間為195～400 m，除過(guò)北部區(qū)外，其他各部都為實(shí)煤區(qū)。其可采走向長(zhǎng)為3 337.8 m，對(duì)應(yīng)的煤層傾角均值為8.8°。

根據(jù)18104工作面的地質(zhì)狀況可知，煤層的厚度變化區(qū)間為3.00～7.50 m，普氏硬度系數(shù)為3；老頂為各粒度的砂巖，厚度均值為11.97 m；直接頂為泥巖，厚度均值為2.45 m，兩種頂?shù)钠帐嫌捕认禂?shù)分別為6和4。表1顯示出巖層的力學(xué)參數(shù)。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

1.2 開(kāi)采技術(shù)條件

18104工作面在采煤過(guò)程中選擇了一次采全高采煤方法，且基于全部垮落法對(duì)頂板進(jìn)行管理控制。根據(jù)相關(guān)資料可知，采高為5.2 m，循環(huán)進(jìn)度0.8 m。相應(yīng)的膠帶巷全長(zhǎng)4 016 m，橫截面為矩形，巷道寬度5.8 m，高3.8 m。而對(duì)應(yīng)的材料巷參數(shù)基本上相一致，且在支護(hù)時(shí)都選擇錨桿、錨索、鋼帶聯(lián)合支護(hù)形式，對(duì)底板通過(guò)C25混凝土進(jìn)行硬化，厚度為20 cm。

2 堅(jiān)硬頂板水力壓裂技術(shù)可行性

2.1 技術(shù)可行性分析

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研制出的63 MPa井下煤巖體水力致裂成套技術(shù)與裝備已經(jīng)在神東礦區(qū)、同煤集團(tuán)塔山煤礦、同忻煤礦等多礦進(jìn)行了應(yīng)用，技術(shù)方案中涉及的封孔器、封隔器、安裝桿和水力致裂測(cè)控儀等礦大專(zhuān)利產(chǎn)品設(shè)備制造工藝成熟，可滿(mǎn)足不同現(xiàn)場(chǎng)條件的要求。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研，收集并分析18104工作面、18106工作面頂板的相關(guān)資料，結(jié)合相關(guān)案例，認(rèn)為18104工作面材料巷上方的堅(jiān)硬頂板水力壓裂弱化控制技術(shù)可行。后續(xù)還需要對(duì)堅(jiān)硬頂板水力壓裂進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)試和水壓裂縫的數(shù)值模擬，為現(xiàn)場(chǎng)水力壓裂施工參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

2.2 技術(shù)工藝

水力壓裂具體情況如圖1所示，壓裂系統(tǒng)的組成單元包括高壓泵、封隔器、安裝桿和監(jiān)控系統(tǒng)。所有的設(shè)備都可重復(fù)使用，長(zhǎng)期消耗率也處于較低水平，初次一次性投入不大。

圖1 水力壓裂工藝示意

3 水力壓裂切頂卸壓技術(shù)研究

3.1 技術(shù)原理

工作面回采產(chǎn)生的動(dòng)壓主要是由覆巖中的厚硬中粗粒砂巖的破斷失穩(wěn)引起，而且其影響區(qū)集中在工作面后方60 m范圍，該堅(jiān)硬巖層在采空區(qū)一定范圍的持續(xù)活動(dòng)和在巷道煤柱側(cè)的懸頂附加載荷，將造成迎采動(dòng)巷道圍巖的持續(xù)不穩(wěn)定。因此，為了減小迎采巷道動(dòng)壓的影響，需要對(duì)該厚硬中粗粒砂巖進(jìn)行水力預(yù)裂，破壞其完整性，弱化其力學(xué)性能，促使其斷裂卸壓。水力壓裂切頂卸壓的原理如圖2所示。

圖2 水力壓裂切頂卸壓原理

3.2 試驗(yàn)地點(diǎn)及范圍

18104回采工作面和迎采動(dòng)巷道位置如圖3所示，在18108材料巷進(jìn)行水力壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，施工區(qū)域位于采動(dòng)超前影響區(qū)外100 m范圍內(nèi)。

圖3 回采工作面和迎采動(dòng)巷道位置

3.3 試驗(yàn)方案

堅(jiān)硬頂板水力預(yù)裂鉆孔布置如圖4所示。在18104材料巷內(nèi)向上施工鉆孔，鉆孔施工貫穿堅(jiān)硬頂板。為了快速施工，采用了錨索鉆孔，鉆孔長(zhǎng)度為12 m，鉆孔直徑為42 mm，采用配套的小孔徑封隔器進(jìn)行分段壓裂。由于堅(jiān)硬頂板的厚度較大，因此需要多層壓裂，考慮到分段距離會(huì)導(dǎo)致裂縫的貫通，一般不小于1.5 m，確定分段距離為2 m，即12 m厚的老頂分為4段壓裂。為了保證掘進(jìn)巷道在水力壓裂過(guò)程中能實(shí)現(xiàn)充分壓裂，使得裂縫更為發(fā)育，因此，利用單排布置壓裂鉆孔，豎直向上施工，貼煤柱幫施工，開(kāi)孔位置距離300～500 mm，深度12 m，間距7 m，施工2～3個(gè)，施工位置在第一到第二超前支架范圍內(nèi)(靠近泵的超前架)。在實(shí)際的施工過(guò)程中，由于各方面因素影響，頂板條件會(huì)改變，這樣鉆孔長(zhǎng)度、間距相關(guān)的數(shù)據(jù)，也需要基于施工和壓裂狀態(tài)而進(jìn)行一定調(diào)整。

圖4 堅(jiān)硬頂板水力壓裂鉆孔布置

為使得水力壓裂時(shí)裂縫的數(shù)量增加，在設(shè)計(jì)壓裂模式時(shí)選擇了大排量壓裂，泵排量設(shè)置為200 L/min。根據(jù)勘探資料可知，中粗砂巖頂板的強(qiáng)度大，設(shè)定抗拉強(qiáng)度為6～8 MPa?；?00 m埋深進(jìn)行分析而確定出地應(yīng)力，為8～12 MPa，在富余系數(shù)設(shè)定為2倍條件下，需要的泵壓為40 MPa。

3.4 水力壓裂實(shí)施中的注意事項(xiàng)

1) 在進(jìn)行水力壓裂時(shí)，應(yīng)該隨時(shí)觀(guān)測(cè)壓力變化，當(dāng)壓力變化異常時(shí)，應(yīng)該立即停止水力壓裂施工，隨之進(jìn)行檢查。

2) 在水力壓裂期間，高壓管路與行人應(yīng)該保持一定距離，防止出現(xiàn)安全事故。

3) 水力致裂期間，應(yīng)該設(shè)立警戒線(xiàn)，無(wú)關(guān)人員嚴(yán)禁進(jìn)入施工區(qū)域。

4) 水力致裂施工結(jié)束后，警戒人員保持警戒，打開(kāi)泄壓閥，確保管路泄壓完成后，再拆開(kāi)管路，拆除封孔器和安裝桿。

5) 水力致裂施工期間要有專(zhuān)門(mén)的安全員負(fù)責(zé)檢查，所有水力致裂人員都要保持高度的警惕，要有強(qiáng)烈的責(zé)任心，認(rèn)真觀(guān)察做好記錄。

3.5 效果分析

為全面檢測(cè)工作面切頂護(hù)巷的效果，及時(shí)掌握巷道圍巖變化情況，在18104材料巷地點(diǎn)進(jìn)行了全面礦壓觀(guān)測(cè)(主要包括巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平?，錨桿、錨索受力監(jiān)測(cè)等)。在18104工作面回采過(guò)程中，由于工作面回采超前應(yīng)力的影響，18104材料巷錨桿、錨索受力逐漸增加，巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平恳策_(dá)到最大值。當(dāng)18104工作面停采線(xiàn)位置采用切頂卸壓技術(shù)后，錨桿、錨索受力減小，并隨著工作面回采空間經(jīng)老頂來(lái)壓形成基本穩(wěn)定結(jié)構(gòu)后，錨桿、錨索受力情況基本恢復(fù)原水平，巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平恳嘹呌诜€(wěn)定，達(dá)到了原設(shè)計(jì)工作面切頂卸壓護(hù)巷的目的。

4 結(jié) 語(yǔ)

在18104材料巷實(shí)施水力壓裂技術(shù)，通過(guò)一段時(shí)間的觀(guān)測(cè)，與實(shí)施水力前進(jìn)行對(duì)比，采掘交鋒前后，巷道變形明顯減小，工作面推過(guò)后，巷道無(wú)后續(xù)大變形。水力壓裂方案實(shí)施后，頂煤能夠及時(shí)垮落，回收率顯著提高。