史洪愷，解振華，李小龍

(國(guó)能神東煤炭集團(tuán)烏蘭木倫煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017205)

0 引言

目前，我國(guó)神東礦區(qū)許多礦井工作面開采面臨著厚基巖淺埋藏的地質(zhì)特點(diǎn)，這種地質(zhì)條件下工作面回采易出現(xiàn)工作面初采期間頂板大面積懸頂，對(duì)工作面回采形成安全隱患[1-4]。而對(duì)于淺埋薄基巖的礦山壓力分布規(guī)律研究較多，對(duì)于厚基巖淺埋藏工作面礦壓研究有待進(jìn)一步深入[5-7]。針對(duì)工作面大面積懸頂問題，一般采用放炮強(qiáng)制放頂、水力軟化或者水壓預(yù)裂的技術(shù)手段消除隱患[9-12]。

烏蘭木倫煤礦31411工作面覆蓋層厚度為148.8 m，基巖厚度為91 m，符合埋藏淺、基巖厚度大等近淺埋煤層的特征，存在礦壓顯現(xiàn)明顯，采空區(qū)懸頂面積大未能及時(shí)垮落等問題[13]。遇工作面初次來壓、周期來壓時(shí)，頂板壓力大。

由于受地質(zhì)賦存條件、頂板巖性堅(jiān)硬等因素的的影響[14]，31411工作面可能會(huì)出現(xiàn)頂板不垮落或垮落不完全，三角區(qū)出現(xiàn)大面積的懸頂，初次來壓時(shí)頂板突然垮落形成颶風(fēng)傷人，造成人員傷害。

為消除大面積懸頂造成的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)31411工作面進(jìn)行了水壓預(yù)裂初次放頂，達(dá)到了消除生產(chǎn)安全隱患的目的，實(shí)現(xiàn)了安全高效生產(chǎn)。

1 工程概況

31411工作面范圍內(nèi)第四系松散層厚度為4.5～61 m，松散含水層厚度0～50 m，松散層、松散含水層沿掘進(jìn)方向逐漸變厚；上覆基巖厚度為83～184 m，總體趨勢(shì)沿掘進(jìn)方向逐漸變薄。31411工作面頂板巖層結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)值見表1。

表1 31411工作面頂板巖層結(jié)構(gòu)

巷道在3-1煤層中沿煤層底板掘進(jìn)，上部留有0.1～0.8 m厚度不等的頂煤，煤層直接頂為粉砂巖，普氏系數(shù)為2.46，軟化系數(shù)為0.275，老頂為砂質(zhì)泥巖，普氏系數(shù)2.82，軟化系數(shù)0.57。直接底為砂質(zhì)泥巖，普氏系數(shù)為2.821，軟化系數(shù)為0.57。煤層頂?shù)装鍘r性，見表2。

表2 31411工作面頂?shù)装鍘r性

2 工作面水力壓裂鉆孔布置及相關(guān)參數(shù)

烏蘭木倫煤礦31411工作面可劃分為31411-1和31411-2兩個(gè)工作面。工作面傾向長(zhǎng)度為31411-1工作面189.5 m和31411-2工作面105.3 m。

為避免31411工作面回采時(shí)初次來壓對(duì)支架造成巨大的沖擊載荷，需破壞頂板的完整性，使其盡早垮落，減緩初次來壓對(duì)支架的破壞，確保初采安全，在切眼進(jìn)行水力預(yù)裂放頂。

31411-1切眼布置L孔11個(gè)，S孔20個(gè)，鉆孔總進(jìn)尺1 003 m。31411-2切眼布置L孔6個(gè)，S孔11個(gè)，鉆孔總進(jìn)尺550 m。壓裂L鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，壓裂S鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖1 切眼布置L鉆孔參數(shù)示意Fig.1 L borehole parameters in open-off cut

圖2 切眼布置S鉆孔參數(shù)示意Fig.2 S borehole parameters in open-off cut

鉆孔采用ZDY1200S型全液壓鉆機(jī)施工，鉆頭φ56 mm。工作面鉆孔參數(shù)根據(jù)頂板巖層厚度、巖性、采高等參數(shù)確定，工作面切眼水力壓裂鉆孔布置及參數(shù)，如圖3所示。

圖3 工作面切眼水力壓裂鉆孔布置及參數(shù)Fig.3 Borehole layout parameters of hydraulic fracturing in open-off cut

3 水力壓裂鉆孔施工狀況與效果分析

3.1 水力壓裂鉆孔施工狀況

根據(jù)施工記錄可知，泵壓集中在13～25 MPa之間。在鉆孔角度不變的情況下，鉆孔裂縫啟裂和擴(kuò)展壓力主要跟巖體抗拉強(qiáng)度有關(guān)，切眼壓裂壓力均低于注水泵的額定壓力，表明不同鉆孔不同深度均實(shí)現(xiàn)了巖體的張開破壞；工作面頂板存在較發(fā)育的原生裂隙，會(huì)對(duì)壓裂效果產(chǎn)生一定影響；在壓裂過程中頂板錨桿、錨索均出現(xiàn)了淋水現(xiàn)象，相鄰鉆孔也有出水情況，表明壓裂過后，原有裂隙和壓裂新產(chǎn)生的裂隙完成了擴(kuò)展貫通，削弱了工作面頂板巖層的完整性；壓裂過程中裂隙擴(kuò)展范圍可達(dá)10～20 m。

水力壓裂鉆孔施工記錄，見表3與表4。為詳細(xì)監(jiān)測(cè)壓裂壓力變化情況，特安裝水壓儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)壓力-時(shí)間關(guān)系。如圖4～7所示。

表3 31411-1工作面水力壓裂鉆孔施工記錄

表4 31411-2工作面水力壓裂鉆孔施工記錄

3.2 水壓預(yù)裂效果分析

結(jié)合圖4～7分析可知：鉆孔開始?jí)毫押?，高壓水壓力急劇增高到一定值后，隨著孔壁巖石的開裂或原生裂隙的進(jìn)一步張開，壓力在某一范圍內(nèi)小幅波動(dòng)或突然有不同程度的下降，繼而進(jìn)入保壓階段，裂縫隨著時(shí)間不斷的擴(kuò)展。

圖4 31411-1切眼L孔水壓情況Fig.4 Water pressure of L borehole in 31411-1 open-off cut

圖5 31411-1切眼S孔水壓情況Fig.5 Water pressure of S borehole in 31411-1 open-off cut

圖6 31411-2切眼L孔水壓情況Fig.6 Water pressure of L borehole in 31411-2 open-off cut

圖7 31411-2切眼S孔水壓情況Fig.7 Water pressure of S borehole in 31411-2 open-off cut

有些壓裂在裂縫擴(kuò)展過程中，壓力存在小幅度的波動(dòng)，裂縫基本以恒定壓力向前擴(kuò)展，說明頂板巖層原生裂隙不發(fā)育，巖層較為穩(wěn)定，裂縫可以實(shí)現(xiàn)大范圍擴(kuò)展；有些壓裂在裂縫擴(kuò)展過程中，壓力穩(wěn)定上升或下降，可能是由于巖層的不均勻性或巖層的滲透率不同導(dǎo)致的；還有一些壓裂在裂縫擴(kuò)展過程中，壓力波動(dòng)較為劇烈，可能是由于裂縫擴(kuò)展過程中遇到了原生裂隙或結(jié)構(gòu)面導(dǎo)致的。

從圖7可看出鉆孔的開裂壓力在15～25 MPa左右，進(jìn)入保壓階段后，壓力為15～20 MPa左右。保壓注水階段時(shí)間為30 m左右，壓力較為穩(wěn)定，可以保證裂隙擴(kuò)展充分。隨著壓裂位置距孔口距離的減少，破裂壓力和擴(kuò)展壓力呈減小趨勢(shì)。

井下使用注水高壓泵為恒流量注水泵，每分鐘注水80 L，因此，每次注水量為4.8 m3，每個(gè)鉆孔注水10次左右，每孔總注水量48 m3，通過巖體中注水也可以達(dá)到軟化頂板，降低巖體強(qiáng)度的作用。

綜上分析，31411工作面頂板堅(jiān)硬，完整性好，采用水力壓裂技術(shù)對(duì)31411工作面頂板巖層進(jìn)行弱化后，未出現(xiàn)大面積頂板懸空，保障了工作面的安全生產(chǎn)。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)烏蘭木倫煤礦31411工作面的地質(zhì)條件，分析認(rèn)為該工作面符合埋藏淺、基巖厚度大等近淺埋煤層的特征，存在采空區(qū)懸頂面積大未能及時(shí)垮落，初次來壓時(shí)頂板突然垮落形成颶風(fēng)傷人等風(fēng)險(xiǎn)。

(2)根據(jù)施工記錄可知，泵壓集中在13～25 MPa之間；在壓裂過程中頂板錨桿、錨索均出現(xiàn)了淋水現(xiàn)象，相鄰鉆孔也有出水情況，表明壓裂過后，原有裂隙和壓裂新產(chǎn)生的裂隙完成了擴(kuò)展貫通，削弱了工作面頂板巖層的完整性；壓裂過程中裂隙擴(kuò)展范圍可達(dá)10～20 m；隨著壓裂位置距孔口距離的減少，破裂壓力和擴(kuò)展壓力呈減小趨勢(shì)。

(3)采用水力壓裂技術(shù)對(duì)31411工作面頂板巖層進(jìn)行弱化后，未出現(xiàn)大面積頂板懸空，保障了工作面安全生產(chǎn)。