高亞偉

（晉能控股煤業(yè)集團浙能麻家梁煤業(yè)公司，山西 朔州 036000）

0 引言

根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計資料顯示，井工開采礦井中約有占比超過1/3 的煤層頂板為堅硬頂板。堅硬底板具有整體性好、硬度大、厚度大等特點，在采面回采過程中難以及時垮落，從而容易導(dǎo)致采面后方采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)大面積懸空[1-3]。當采空區(qū)頂板懸空超過一定距離突然垮落時會導(dǎo)致采面來壓劇烈，甚至引發(fā)沖擊地壓、通風系統(tǒng)紊亂等問題，給礦井生產(chǎn)安全帶來較大威脅[4-5]。綜放開采是現(xiàn)階段厚煤層主要開采方式，當開采煤層頂板為堅硬巖層時，采空區(qū)上覆頂板不能及時垮落，會給采面煤炭正常開采帶來更為顯著的影響[6-7]。眾多學者以及工程技術(shù)人員等對頂板弱化技術(shù)展開研究，并提出通過水力壓裂、深孔預(yù)裂爆破、CO2致裂等各種技術(shù)措施對頂板進行處理。梁龍龍針對綜放開采工作面堅硬頂板礦壓顯現(xiàn)顯顯著問題進行分析，并針對開采過程中堅硬頂板不容易垮落問題采用深孔預(yù)裂爆破方式對頂板進行處理，依據(jù)長平礦18403 綜放工作面現(xiàn)場實際情況對爆破技術(shù)參數(shù)、爆破鉆孔布置位置以及爆破方式等進行設(shè)計，現(xiàn)場應(yīng)用后有效解決了堅硬頂板難以垮落問題。張憲軍等以12108 綜采工作面為例，采面回采時由于頂板堅硬導(dǎo)致初次來壓步距達到59.5 m，采空區(qū)頂板大面積懸空會給導(dǎo)致瓦斯涌出增加、液壓支架受力顯著增大等問題，影響煤炭生產(chǎn)安全，提出在采面切眼、回采巷道內(nèi)分別布置爆破鉆孔，對頂板弱化，現(xiàn)場應(yīng)用后頂板初次來壓步距降至26.2 m、液壓支架動載系數(shù)降至1.35，有效降低了堅硬頂板對采面生產(chǎn)影響。深孔預(yù)裂爆破可利用礦井現(xiàn)有炸藥實施，具有施工便捷優(yōu)點，但是由于鉆孔深度較大、炸藥裝藥困難，同時炸藥失爆時處理難度高。水力壓裂由于通過高壓泵向鉆孔內(nèi)注入高壓水，不需要施工炸藥，因此在安全性、施工便捷性等方面表現(xiàn)出一定優(yōu)勢。為此，文中以麻家梁礦14203-1 綜放工作面回采為工程背景，針對煤層頂板堅硬問題，提出采用水力壓裂技術(shù)對頂板進行弱化，從而實現(xiàn)采空區(qū)頂板及時垮落，為采面初期回采創(chuàng)造良好條件。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

麻家梁礦14203-1 綜放工作面地表呈南高北低，地勢平緩，多為耕地及林地。工作面地表北部為朔州市紅旗牧場一分場，工作面地表東部有前沙線（公路）南北向通過，工作面南部地表接近雁陽路、南部地表為平坦耕地總體北高南低為一微波裝單斜構(gòu)造，局部有小褶皺，褶皺兩翼煤層傾角最大6°。工作面的南部，煤層走向北東轉(zhuǎn)南東，傾向北西轉(zhuǎn)南西，傾角一般為3°～4°，中部煤層走向北東轉(zhuǎn)南東，傾向北西轉(zhuǎn)南西，坡度平緩。北部煤層走向近東西，傾向南，傾角2°～4°。 本井田內(nèi)未見火成巖侵入體以及古河流沖刷帶。

14203-1 綜放工作面位于井田的中南部北鄰為+665 回風巷；西側(cè)相隔7 m 煤柱為14204 采空區(qū)；東為已開采的14202 工作面（開采時間2015 年9 月，開采結(jié)束時間為2016 年7 月），具體采面位置見圖1 所示。根據(jù)已有地質(zhì)以及回采、切眼掘進顯示，工作面開采范圍內(nèi)分布有15 條斷層，其中輔運巷FD3 斷層（正斷層，H = 5.2 m，168°∠60°）及膠帶巷JD8 斷層（正斷層，H= 2.6 m, 97°∠70°）對工作面回采影響較大，其它斷層對回采影響較小，斷層要素位置見附表所示。本工作面掘進期間未揭露陷落柱，不考慮對回采構(gòu)成的影響。

圖1 14203-1 工作面位置示意圖

14203-1 綜放工作面設(shè)計走向長度2 861 m，可采走向長度1 727 m，傾斜長度181.5 m。14203-1 綜放工作面開采4 號煤層，煤厚平均9.24 m，煤層較為堅硬，f 值為3；4 號煤層自燃傾向等級為Ⅱ類、煤塵具有爆炸性，煤容重1.44 t/m3，開采范圍內(nèi)受到區(qū)域構(gòu)造影響，開采范圍內(nèi)地溫正常。采面頂?shù)装逡詧杂驳闹猩皫r、粉砂巖為主，具體見表1。經(jīng)過中國礦業(yè)大學（北京）資源與安全工程學院鑒定14203-1 綜放工作面為弱沖擊地壓工作面，在采面回采期間應(yīng)采取針對性的防沖擊地壓技術(shù)措施。工作面開采4 號煤層時瓦斯涌出量不大，但工作面單產(chǎn)較高，回采期間若采空區(qū)頂板大面積垮落或者懸露面積過大時會導(dǎo)致采空區(qū)瓦斯涌出量增大，如管理不善，仍會造成施工場所的瓦斯超限和積聚現(xiàn)象發(fā)生，其危害為引起人員窒息和瓦斯燃燒、爆炸。14203-1 綜放工作面采高3.5 m，放煤5.74 m，采放比1∶1.64。采面綜放設(shè)備型號為：國艾可夫SL500AC 型采煤機，工作面前部、后部刮板輸送機分別為Front Face Conveyor PF 6/1142、Rear AFC PF6/1342 型，運輸能力分別為2 500 t/h、3 000 t/h；中部支架ZF15000/27.5/42 型。

1.2 地應(yīng)力測定結(jié)果

地用力是影響水力壓裂裂紋擴展方向的因素之一，在14203-1 綜放工作面附近通過水力壓裂法測試地應(yīng)力分布，在采面切眼、14203-1 膠帶運輸順槽、輔助運輸順槽等位置均布置測站，對地應(yīng)力分布情況見測定，具體測量結(jié)果見表3。從測量結(jié)果看出，測站獲取的最大水平主應(yīng)力均超過垂直應(yīng)力，水平應(yīng)力占比一定優(yōu)勢，其中最大主應(yīng)力與垂向應(yīng)力比為1.05～1.13。根據(jù)現(xiàn)有研究成果顯示，水平應(yīng)力巖體彈性模量成正比，彈性模量越大則水平應(yīng)力越高，雖然未測定4 號煤層內(nèi)水平應(yīng)力，但是煤層彈性模量較巖層彈性模量更小，因此判定煤層中水平應(yīng)力小于巖層中水平應(yīng)力。

表2 煤層頂?shù)装鍘r性參數(shù)

表3 地應(yīng)力測定結(jié)果

2 14203-1 綜放工作面頂板來壓預(yù)測分析

參考本煤礦及鄰礦同煤層礦壓觀測資料，選擇本工作面頂板巖性參數(shù)，從而對頂板來壓情況進行預(yù)測，具體見表4。

表4 頂板來壓

在采面初采期間采空區(qū)頂板懸空，隨著懸空面積增大頂板便會出現(xiàn)初次垮落。根據(jù)鄰近采面開采資料顯示，正常情況下采面初期來壓步距在54 m 左右，但是由于14203-1 工作面上覆基本頂堅硬巖層厚度較其他采面更大，預(yù)計初期來壓步距及周期來壓步距較其他采面更大，礦壓顯現(xiàn)更為顯著。因此，提出采用水力壓裂技術(shù)對頂板進行弱化。

3 水力壓裂頂板弱化技術(shù)應(yīng)用

3.1 水力壓裂切頂高度確定

水力壓裂處理堅硬頂板實質(zhì)是通過高壓水破壞頂板完整性，使得采空區(qū)覆巖頂板在自重及上覆載荷作用下垮落，從而減少采面初采期間來壓步距、降低來壓強度，為采面安全回采創(chuàng)造良好條件。

在14203-1 工作面開切眼處以及回采巷道內(nèi)均布置水力壓裂鉆孔對頂板進行弱化，為確保頂板垮落后形成的碎脹巖體可對采空區(qū)頂板進行有效支撐（碎脹巖體充填整個采空區(qū)），采空區(qū)頂板垮落高度與采高間應(yīng)滿足下述要求：

其中：M表示回采煤層累積厚度，m；kp為頂板巖層碎脹系數(shù)，無量綱。具體kp可通過下述公式確定：

其中：kn表示頂板第n 層巖層碎脹系數(shù)，Hn表示頂板第n 層巖層厚度，m。由于根據(jù)4 號煤層頂板分布情況并結(jié)合以往研究成果，取值kp=1.3～1.5。水力壓力切頂高度Hp可通過下述公式計算

將M= 9.24 m、kp= 1.3～1.5 帶入到公式（3）中即可求得Hp=18.48～30.8 m。

3.2 現(xiàn)場水力壓裂應(yīng)用方案

3.2.1 水力壓裂鉆孔布置

為實現(xiàn)頂板巖層有效弱化，為此在切眼內(nèi)采用ZDY1200S 鉆機配合42 mm 鉆桿、56 mm 鉆頭施工水力壓裂鉆孔，由于頂板垮落高度18.48～30.8 m方可實現(xiàn)頂板垮落巖層充滿整個采空區(qū)，為此在切眼內(nèi)布置4 種不同高度水力壓裂鉆孔，通過不同鉆孔參數(shù)配合實現(xiàn)頂板方向15～25.5 m 巖層壓裂弱化。具體水力壓裂鉆孔布置見圖2 所示。A 型壓裂鉆孔孔深、傾角分別為50 m、30°，共計4 個，上下端頭位置各2 個，以便提高上下端頭頂板三角區(qū)巖體弱化效果；L 型鉆孔共計13 個，均勻分布在切眼內(nèi)，鉆孔孔深、傾角分別為40 m、25°；S 型鉆孔共計19 個，鉆孔深度、傾角分別為39 m、45°，在采面均勻布置13 個，在兩側(cè)回采巷道距切眼15 m 范圍內(nèi)分別布置3 個。

圖2 水力壓裂鉆孔布置示意圖

3.2.2 水力壓裂工藝及過程

水力壓裂有高壓注水系統(tǒng)（高壓泵、高壓軟管、電控箱等）、封隔器、水壓監(jiān)測系統(tǒng)等。具體流程為：鉆孔施工、封隔器安裝、高壓泵啟動壓裂、再次定位封隔器壓裂，依次循環(huán)實現(xiàn)頂板堅硬巖層弱化。水力壓裂過程中采用的設(shè)備及材料基本可實現(xiàn)充分使用，同時壓裂過程中不產(chǎn)生有害氣體、異常振動沖擊等，因而安全性以及經(jīng)濟性等均較深孔預(yù)裂爆破技術(shù)更為友好。4203-1 綜采工作面采用高壓水泵進行水力壓裂，使用到的設(shè)備具體包括有三相異步電機、高水水泵（型號BZW200/56）、清水箱（SX3000）、電控箱（KXJR4-12）、增強型封孔器（ZF19）、切槽鉆孔等。采用的清水箱容積為3 m3，配備有水位計、壓力表（量程0～100 MPa）; 高水水泵（型號BZW200/56）注水壓力為56 MPa、額定功率220 kW。

水力壓裂施工時應(yīng)注意觀察壓裂區(qū)域內(nèi)頂板情況以及滲水情況，確保水力壓裂安全并避免高壓水作用導(dǎo)致頂板出現(xiàn)冒落問題。14203-1 綜放工作面從5 月25 日至6 月15 日開始進行間斷性壓裂，每個水力壓裂鉆孔壓裂3～5 段。壓裂中水泵壓力集中在15～25 MPa，具體水壓變化見圖3 所示，部分注水鉆孔注水參數(shù)見表5。當水壓力大于頂板巖層抗壓強度后，巖層中會產(chǎn)生新的裂隙，高壓水會沿著裂隙向周邊擴展，從而降低巖體強度。單段壓力時間控制在30～50 min，在鉆孔水力壓裂過程中切頂頂板出現(xiàn)不同程度淋水情況，表明頂板存在一定的原始裂隙，水力壓裂裂紋擴散長度最大可達20 m以上。

圖3 水力壓裂過程中水壓變化情況

表5 水力壓裂過程部分注水孔注水參數(shù)

3.3 水力壓裂頂板弱化效果分析

14203-1 工作面水力壓裂完成后，綜采隊于6 月18 日開始進行回采，采面推進速度為4.0 m/d，采面于6 月26 日累計推進31 m，采空區(qū)頂板全部垮落。在采面上部、中部及下部位置采用型號KJ216抗壓監(jiān)測系統(tǒng)對采面內(nèi)液壓支架工作阻力進行實時監(jiān)測，具體工作面在初采期間采空區(qū)頂板垮落情況見表6。對采面頂板水力壓裂后煤壁片幫情況進行監(jiān)測，水力壓裂后采面礦壓顯現(xiàn)不明顯，在頂板來壓期間煤壁始終保持穩(wěn)定，僅局部位置出現(xiàn)小范圍片幫，片幫深度以及高度均在200、350 mm 以內(nèi)。

表6 采空區(qū)頂板垮落統(tǒng)計結(jié)果

在工作面采用水力壓裂技術(shù)后，采面頂板初次來壓步距為31 m，與鄰近采面周期來壓步距接近，采面初次來壓期間礦壓顯現(xiàn)不明顯，取得較好的頂板弱化效果。具體采面來壓后頂板垮落情況如圖4所示。在后續(xù)其他采面生產(chǎn)中，可采用水力壓裂技術(shù)對頂板進行處理，降低堅硬頂板對采面生產(chǎn)影響。

圖4 采空區(qū)頂板垮落情況

4 結(jié)束語

麻家梁礦14203-1 綜放工作面頂板巖層堅硬，采面初采期間若不對頂板進行弱化，預(yù)計初次來壓步距將達到50 m 以上，頂板垮落時會導(dǎo)致采面礦壓顯現(xiàn)異常、采空區(qū)瓦斯大量涌出等問題，從而給采面回采安全帶來威脅。為此，提出采用水力壓裂技術(shù)對頂板堅硬巖層進行弱化。

根據(jù)14203-1 綜放工作面實際情況對頂板水力壓裂范圍以及水力壓裂方案，具體采用理論計算方法確定頂板水力壓裂高度并結(jié)合以往研究成果以及其他礦井水力壓裂應(yīng)用情況，對采面內(nèi)水力壓裂鉆孔布置方案、水力壓裂設(shè)備情況進行設(shè)計?，F(xiàn)場工程應(yīng)用結(jié)果表明，工作面采用水力壓裂對堅硬頂板進行弱化后，頂板強度明顯降低，采面推進至31 m 時頂板垮落，垮落期間采面礦壓顯現(xiàn)不明顯，采空區(qū)瓦斯涌出正常。