司瑞江，趙璐璐，張廣輝，左杰海，許利軍，張奧澤，焦 陽，李東亮

（1.晉能控股煤業(yè)集團晉城煤炭事業(yè)部 趙莊煤業(yè)有限責任公司，山西 長治 046605；2.煤炭科學技術(shù)研究院有限公司安全分院,北京 100013;3.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司 技術(shù)研究院，山西 晉城 048006）

堅硬頂板具有強度高、易儲能、難垮落的屬性，是誘發(fā)強礦壓的主要因素之一。針對堅硬頂板誘發(fā)的強礦壓災害，國內(nèi)外學者圍繞了頂板水力壓裂和深孔爆破開展了大量研究應用工作。文獻［1－3］圍繞壓裂縫隙擴展機理，不同區(qū)域頂板水力壓裂現(xiàn)場應用開展了大量研究；文獻［4］提出了深孔雙向聚能拉伸爆破新技術(shù)，為后續(xù)聚能爆破引進治理強礦壓奠定了理論基礎(chǔ)；文獻［5－7］圍繞頂板深孔聚能爆破開展了切頂卸壓圍巖控制研究與應用，開拓了頂板聚能爆破在切頂留巷、切頂卸壓中的應用；文獻［8］利用水力壓裂－深孔預裂爆破復合工藝，提高瓦斯的抽采效率。以上研究加深了對頂板水力壓裂和聚能爆破的認知，提供了治理現(xiàn)場難題的方案，但在運用頂板水力壓裂和深孔爆破復合卸壓，治理堅硬交互頂板的方向鮮有報道。為此，針對趙莊煤業(yè)1311工作面頂板強度高、整體性好，各類巖性交錯發(fā)育的現(xiàn)狀，提出在鉆孔軸向上進行水力壓裂預制橫向裂隙，在鉆孔縱向上開展聚能爆破預制鉆孔軸向方向裂隙，實現(xiàn)“橫切-縱爆”復合卸壓工藝。

1 “橫切-縱爆”復合卸壓機制

1.1 壓裂階段巖體裂紋擴展分析

煤巖深埋于地下，處于三維應力受壓狀態(tài)，在不考慮附近構(gòu)造應力時，其主要受遠場應力作用，即主要受到垂直應力和水平地應力作用，而在煤巖形成過程中存在大量隨機分布的微裂隙。采用Taylor 方法忽略微裂紋之間的相互作用, 假設(shè)裂隙處于彈性體中，微裂隙受到的載荷等于遠場應力[9]。力學模型如圖1，圖中微裂隙與最大主應力的夾角為β。

圖1 煤巖微裂隙受力圖Fig.1 Stress diagram of coal rock micro-fracture

在考慮水壓力的作用下，結(jié)合Terzaghi 有效應力原理，則作用在裂紋方向上的力為：

式中：σy為正應力；τxy為剪應力；σv為垂向地應力；σh為水平地應力；p 為微裂隙水壓力。

式中：R 為局部損傷化長度；σ0為損傷局部化內(nèi)的跌落應力；a 為微裂紋初始長度。

1.2 爆破階段裂紋發(fā)育準則

依據(jù)損傷力學理論[9]，爆破瞬間在爆轟氣體的作用下形成的宏觀裂紋平均半徑a0為：

通過以上分析可得，“橫切-縱爆”工藝中水力壓裂實現(xiàn)巖體的局部損傷，局部損傷化長度為R；在爆破階段暴轟氣體形成宏觀裂紋半徑為a0；基于R和a0的賦存，在爆破氣體持續(xù)作用階段，裂紋二次擴展半徑r 值進一步擴張。

綜上所述“橫切-縱爆”卸壓工藝，定向水力壓裂和爆破可實現(xiàn)鉆孔內(nèi)裂隙范圍擴大，破壞頂板完整性和整體性，弱化堅硬頂板應力傳遞和能量儲存的屬性，實現(xiàn)復合堅硬頂板在回采后順利及時垮落，避免大面積懸頂瞬間垮落造成的強礦壓事故。

2 “橫切-縱爆”卸壓工藝現(xiàn)場應用

2.1 1311 工作面概況

趙莊煤業(yè)1311 工作面主采3#煤層，蓋山厚度約為700 m，煤層平均厚度為4.8 m，工作面回采長度1 446 m，傾向長度為249 m；通過頂板取心繪制頂板綜合柱狀圖如圖2，經(jīng)測定砂巖和砂質(zhì)泥巖單軸抗壓強度為73、42 MPa。頂板強度高，承載能力強，在工作面回采后，易形成懸頂對煤層形成夾持和擠壓作用，在巷道或采面形成應力集中區(qū)，在超過極限靜載或動載擾動疊加靜載條件下，容易造成巷道圍巖彈性變形能的瞬間釋放，造成強礦壓事故。

圖2 1311 工作面綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive histogram of 1311 working face

2.2 水力壓裂和深孔爆破基礎(chǔ)試驗

趙莊煤業(yè)最大水平主應力方向為N36.67°W，考慮方便施工，因此頂板預裂孔方位角與巷道成30°夾角，即壓裂鉆孔與煤巖最大主應力方向接近一致，提升裂隙擴展效率，而在爆破階段二次裂紋擴展方向在聚能管定向約束和壓裂縫隙R 的基礎(chǔ)上沿最大主應力方向進一步擴展擴展。

2.2.1 頂板定向水力壓裂工藝

定向水力壓裂工藝中首先利用定向刀具在頂板內(nèi)沿鉆孔徑向制備“楔形”應力集中尖端，為高壓液契開堅硬頂板提供條件。高壓水在預割橫縫尖端處形成應力集中，促使頂板裂隙逐步產(chǎn)生、擴展[12]。預割橫縫如圖3。

圖3 頂板預割橫縫示意圖Fig.3 Diagram of pre-cut cross seam in roof

通過在13091 巷進行水力壓裂孔孔間距的試驗發(fā)現(xiàn)孔間距為5 m 時，注水時間在16～20 min 時試驗孔有水流出，注水壓力由30 MPa 降到20 MPa 左右，即單個壓裂鉆孔裂隙擴展半徑至少為5 m，因此2 個壓裂鉆孔間距在10 m 內(nèi)，便可實現(xiàn)壓裂縫隙交匯貫通。壓裂鉆孔孔間距試驗示意圖如圖4。

圖4 壓裂鉆孔孔間距試驗示意圖Fig.4 Diagram of fracturing borehole spacing test

綜上所述，30 MPa 注水壓力能夠?qū)崿F(xiàn)頂板裂隙縫隙預制，但難以預制沿鉆孔軸向的高密度縫隙，因此需要在此基礎(chǔ)上增加聚能爆破工藝。

2.2.2 頂板聚能爆破工藝

炸藥爆炸后，沖擊波首先直接作用于雙向張拉伸聚能裝置開口對應的孔壁上，使其產(chǎn)生初始裂隙。隨后，在爆生氣體的作用下，炮孔及孔壁周圍形成靜應力場。靜應力場的作用下，炮孔徑向受壓應力作用。在聚能孔的引導作用下，爆生氣體涌入沖擊波作用產(chǎn)生的初始微裂隙，產(chǎn)生氣楔作用，由此在垂直初始裂隙方向產(chǎn)生張拉作用力，并出現(xiàn)應力集中[4,13]，雙向聚能拉張預裂爆破特征圖如圖5。

圖5 雙向聚能拉張預裂爆破特征圖Fig.5 Characteristic diagram of bi-directional shaped charge tension pre-splitting blasting

為探究合理爆破間距，在13092 巷沿同方位角、傾角布置4 個爆破試驗孔，孔間距分別為2、3、4 m；同時在爆破孔中間布置3 個效果檢測孔，爆破鉆孔內(nèi)均裝15 kg 炸藥和10 根聚能爆破管。

爆破后利用鉆孔窺視儀檢驗3 個檢驗孔中裂隙密度，發(fā)現(xiàn)孔間距2 m 時孔內(nèi)裂隙密集且連貫，孔間距為3 m 時鉆孔內(nèi)裂隙密集，孔間距4 m 時鉆孔內(nèi)裂隙較少。綜上所述，爆破在鉆孔裝藥段軸向裂隙發(fā)育較好，但在鉆孔徑向上裂隙擴展范圍較小。

2.3 “橫切-縱爆”復合卸壓技術(shù)參數(shù)設(shè)定

根據(jù)頂板巖性及厚度分布，擬定在煤層上方26.8 m 處交互層和18.2 m 處砂質(zhì)泥巖中進行水力壓裂，同時利用聚能爆破管在煤層上方12.6～26.8 m 范圍內(nèi)開展頂板聚能爆破工作，壓裂層高與爆破層高相互重疊，最大程度上實現(xiàn)“橫切-縱爆”卸壓。

基于1309 工作面開展的工業(yè)性試驗，將壓裂孔間距設(shè)定為9 m；在壓裂孔壓裂后為提升橫切-縱爆效果，再進行鉆孔爆破，爆破孔間距設(shè)定為3 m，基于現(xiàn)場卸壓效果靈活調(diào)整是否在壓裂孔位置重新布設(shè)爆破孔；13111 巷和13113 巷均進行橫切-縱爆頂板弱化處理，13111 巷2 類鉆孔布置平面圖如圖6。頂板定向水力壓裂和聚能爆破施工參數(shù)表見表1。

圖6 水力壓裂孔和爆破孔布置平面圖Fig.6 Layout plan of roof directional hydraulic fracturing hole and shaped charge blasting hole

表1 頂板定向水力壓裂和聚能爆破施工參數(shù)表Table 1 Construction parameters of roof directional hydraulic fracturing and shaped charge blasting

為實現(xiàn)在煤柱上方頂板內(nèi)預制“斷裂線”，促使采空區(qū)邊界頂板由固支端連接向簡支連接轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)頂板有序下沉、旋轉(zhuǎn)、處矸，并最大程度較小側(cè)向懸頂距，因此將鉆孔布置方向選定為煤柱側(cè)。

橫切-縱爆復合卸壓充分利用了壓裂產(chǎn)生的預制裂隙，再借助爆破沖擊進一步擴充裂隙發(fā)育范圍。同時克服水力壓裂裂隙發(fā)育半徑大，但裂隙點少，爆破孔內(nèi)裂隙點密集，但裂隙半徑小的缺點，實現(xiàn)了在鉆孔“軸向-徑向”上預裂卸壓。

3 頂板治理效果分析

3.1 頂板預制裂隙窺視

趙莊煤業(yè)留設(shè)45 m 區(qū)段煤柱，寬煤柱內(nèi)存在大尺寸彈性核對頂板進行支撐，上工作面采空區(qū)頂板裂隙未能發(fā)育至沿空巷道；在13111 巷和13113 巷開展橫切-縱爆卸壓工藝后，分別進行頂板裂隙窺視，預裂效果基本一致。13113 巷窺視孔內(nèi)主要裂隙發(fā)育情況如圖7；繪制的縫隙位置壓裂位置和爆破段位置層位分布圖如圖8。

圖7 13113 巷1#觀測孔內(nèi)部分裂隙分布情況Fig.7 Distribution of cracks in observation hole 1# of 13113 roadway

圖8 頂板裂隙與爆破位置、壓裂位置相關(guān)關(guān)系Fig.8 The relationship between roof crack and blasting position and fracturing position

由圖7 和圖8 可知，頂板內(nèi)裂隙主要在14.49 m至25.7 m 范圍，裂隙發(fā)育位置對應爆破孔裝藥段和頂板壓裂孔壓裂處，表明爆破孔在壓裂縫隙的基礎(chǔ)上起到頂板預裂的作用，實現(xiàn)了橫切-縱爆復合預裂卸壓效果。

3.2 巷道頂板離層分析

1311 工作面三次見方區(qū)域為切眼前方698 m至938 m，在煤層走向上13111 巷和13113 巷各布置5 個頂板離層觀測點；1310 工作面巷道未卸壓區(qū)域和1311 工作面巷道水力壓裂-深孔爆破復合卸壓區(qū)域頂板離層監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線如圖9。

圖9 典型頂板離層觀測點曲線對比圖Fig.9 Curves diagram of typical roof separation observation points in 13111 lane

由圖9 可以看出，相比1310 面，1311 工作面巷道采取頂板水力壓裂-深孔爆破復合卸壓工藝后，巷道應力集中程度緩解，頂板離層量降低，采場巷道圍巖缺少了強礦壓發(fā)生的應力靜載條件。

4 結(jié) 語

1）基于水力壓裂實現(xiàn)的局部損傷長度R 和爆破起爆階段暴轟氣體形成宏觀裂紋半徑a0；在爆破氣體持續(xù)作用階段，裂紋二次擴展半徑r 值將在R 和a0的基礎(chǔ)上進一步擴展，強化頂板弱化效果，明確了“橫切-縱爆”卸壓機制。

2）通過在1309 工作面開展水力壓裂和聚能爆破預裂半徑基礎(chǔ)試驗，明確了2 種工藝頂板預裂半徑，提示了“高壓水預制徑向裂隙”和“爆破預制軸向裂隙”的特征；結(jié)合1311 工作面地質(zhì)條件設(shè)定了“橫切-縱爆”技術(shù)施工參數(shù)，并開展了工業(yè)性試驗。

3）通過對檢驗孔進行鉆孔窺視，確立“橫切-縱爆”預裂工藝能夠有效實現(xiàn)頂板裂隙擴展；同時基于頂板離層儀的數(shù)據(jù)，可得出通過“橫切-縱爆”復合頂板卸壓技術(shù)，減緩了超前支護段巷道圍巖變形，降低了巷道圍巖應力集中程度，消除了強礦壓發(fā)生的靜載基礎(chǔ)。