楊洪增1,2,3,4

（1.河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺(tái) 054000；2.國(guó)家能源充填采煤技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邢臺(tái) 054000；3.河北充填采礦技術(shù)有限公司，河北 邢臺(tái) 054000；4.河北省充填采煤技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 邢臺(tái) 054000）

在煤炭開(kāi)采中，煤層上方如果發(fā)育有堅(jiān)硬穩(wěn)定、整體性強(qiáng)、承載能力大的巖層，在工作面推進(jìn)過(guò)程中難以垮落，形成大面積懸頂，一旦垮落，則會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的礦壓顯現(xiàn)，危及人員和設(shè)備安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)，具有堅(jiān)硬難垮落頂板的煤層占比為30%以上，隨著綜合機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)的推廣應(yīng)用，越來(lái)越多的工作面出現(xiàn)了頂板垮落不及時(shí)的現(xiàn)象[1-5]。因此開(kāi)展堅(jiān)硬頂板且切頂卸壓技術(shù)研究，對(duì)實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 概 況

1.1 地質(zhì)生產(chǎn)條件

冀中股份邢東礦2129工作面所采煤層為2號(hào)煤，煤層厚度3.8～4.1 m，平均3.95 m，煤層平均傾角11°，工作面頂?shù)装鍘r性及厚度如圖1所示。

圖1 2號(hào)煤頂?shù)装鍘r性Fig.1 Roof and floor lithology of No.2 Coal Seam

2129工作面開(kāi)采2123、2124、2125、2126工作面與軌道下山之間的保護(hù)煤柱，工作面走向長(zhǎng)度93 m，傾斜長(zhǎng)度381 m，采用綜合機(jī)械化一次采全高的開(kāi)采方式。

1.2 存在的問(wèn)題

2129工作面回采過(guò)程中，直接頂垮落較為及時(shí)，但基本頂相對(duì)比較堅(jiān)硬，垮落步距長(zhǎng)，懸頂面積大。垮落時(shí)，造成礦壓顯現(xiàn)劇烈，影響了工作面的正?；夭?。為保證安全生產(chǎn)，采用水力壓裂技術(shù)對(duì)基本頂進(jìn)行切頂卸壓。

2 水力壓裂設(shè)計(jì)

2.1 切頂卸壓方式的確定

當(dāng)前常用的切頂卸壓方式主要有鉆孔爆破切頂、高壓預(yù)注水軟化和水力壓裂切頂?shù)确绞絒6-8]，不同方式的對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 不同切頂方式的對(duì)比Table 1 Comparison of different top cutting methods

根據(jù)邢東礦2129工作面的實(shí)際情況，直接頂和基本頂厚度相對(duì)較小，與石灰?guī)r相比，強(qiáng)度較低，為此，選用水力壓裂切頂?shù)姆绞健?/p>

2.2 水力壓裂切頂機(jī)理

煤層堅(jiān)硬頂板在液體壓力和地應(yīng)力的共同作用下，巖體內(nèi)部原生裂隙和層理裂隙逐漸擴(kuò)展并貫通。同時(shí)，水在高壓的作用下，形成水力裂縫，所有裂隙和裂縫的擴(kuò)展形態(tài)及大小決定了水力壓裂的效果[9-11]。

將巖體簡(jiǎn)化為均質(zhì)、連續(xù)的脆性材料，采用固體力學(xué)、彈塑性力學(xué)、流體力學(xué)等理論分析不同參數(shù)下裂隙的擴(kuò)展和起裂規(guī)律，建立圖2的裂隙擴(kuò)展模型。

圖2 裂縫擴(kuò)展示意Fig.2 Schematic diagram of crack propagation

根據(jù)斷裂力學(xué)理論，隨著壓裂液體壓力和流量的增大，水力裂縫和原生裂隙的寬度逐漸增大，當(dāng)次生裂縫和原生裂隙的逼近角α為30°時(shí)，原生裂隙極易受到水力裂縫的影響。如果逼近角小，則原生裂隙的受力狀態(tài)會(huì)發(fā)生較大變化，容易發(fā)生失穩(wěn)。在逼近角足夠小的情況下，水力裂縫極易與原生裂隙組合到一起，在巖體中形成弱面，弱面不斷擴(kuò)大，不同的弱面組合到一起，在巖體內(nèi)形成弱面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，破壞了巖體的完整性，從而促進(jìn)頂板的垮落，減少垮落步距。

2.3 水力壓裂設(shè)計(jì)

2.3.1 注水壓力的確定

水力壓裂切頂卸壓的注水壓力一般按目標(biāo)巖體的單軸抗拉強(qiáng)度計(jì)算，公式如下：

式中：P為注水壓力，MPa；k為安全系數(shù)，一般取1.2～1.4，在此取1.3；Pz為巖體內(nèi)應(yīng)力，與煤層賦存條件有關(guān)；R為目標(biāo)層位的單軸抗拉強(qiáng)度，MPa。

根據(jù)邢東礦2129工作面的地質(zhì)條件，代入計(jì)算可得，注水壓力不得小于15 MPa。

2.3.2 切頂高度的確定

巷道切頂后，垮落的巖層應(yīng)能充滿采空區(qū)，按公式（2）計(jì)算：

式中：H為切頂高度，m；M為煤層采高，m；H1為采后直接頂板下沉量，m；H2為采后采空區(qū)底板鼓起量，m；K為目標(biāo)巖層的碎脹系數(shù)。

代入計(jì)算可得，2129工作面的切頂高度不應(yīng)低于20 m。

2.3.3 鉆孔布置

根據(jù)邢東礦的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)采用3種不同的切頂鉆孔，如圖3所示。

圖3 水力壓裂鉆孔布置（單位：m）Fig.3 Borehole layout of hydraulic fracturing(unit:m)

Ⅰ類鉆孔在2129工作面運(yùn)輸巷和運(yùn)料巷內(nèi)向工作面前方施工，鉆孔角度為向頂板方向傾斜30°，鉆孔深度為50 m。Ⅱ類鉆孔在兩巷內(nèi)向非回采幫施工，角度為向上傾斜40°，深度為43 m。Ⅱ類鉆孔與巷道夾角為10°，鉆孔交替布置，鉆孔間距為20 m。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 主要設(shè)備

水力壓裂的設(shè)備主要包括地質(zhì)鉆機(jī)、柱塞泵、封孔器以及相應(yīng)的高壓膠管等，設(shè)備布置如圖4所示。

圖4 水力壓裂主要設(shè)備布置Fig.4 Main equipment layout of hydraulic fracturing

3.2 主要工藝

水力壓裂的流程主要包括鉆孔施工、封孔、注水、保壓以及觀測(cè)等工序。

（1）鉆孔施工并開(kāi)槽。

利用地質(zhì)鉆在巷道內(nèi)指定位置施工水力壓裂鉆孔，每個(gè)鉆孔施工完成后，利用窺視設(shè)備對(duì)鉆孔進(jìn)行檢查。在孔壁完整未塌孔的情況下，利用切槽鉆孔開(kāi)槽。鉆孔施工可超前壓裂鉆孔2個(gè)，也可平行作業(yè)。

（2）封孔。

鉆孔施工并開(kāi)槽后，調(diào)試壓裂儀器設(shè)備，利用注水鋼管將封孔器推入壓裂鉆孔中，利用手動(dòng)泵進(jìn)行加壓，加壓過(guò)程中隨時(shí)觀測(cè)鉆孔及壓力變化，如果壓力穩(wěn)定，則證明封孔良好，可進(jìn)行下一步工作，如果有水流出并且壓力下降明顯，則證明封孔有問(wèn)題，需及時(shí)檢查處理。

（3）高壓泵加壓壓裂。

封孔完成后，連接高壓泵開(kāi)始進(jìn)行水力壓裂。為保證安全，壓裂鉆孔前后20 m范圍內(nèi)設(shè)置警戒線，嚴(yán)禁無(wú)關(guān)人員通行。操作人員遠(yuǎn)距離操作。

壓裂開(kāi)始時(shí)，高壓泵先通水后通電，逐漸加大壓力。每個(gè)鉆孔采用后退式壓裂方式，間隔為2～3 m。在距離孔口一定距離時(shí)停止壓裂。

（4）壓裂監(jiān)測(cè)。

在壓裂過(guò)程中，隨時(shí)關(guān)注高壓鍋和手動(dòng)泵的壓力變化及頂板情況，如果壓力驟降或者頂板出現(xiàn)響動(dòng)、錨桿索鉆孔出現(xiàn)大面積淋水等現(xiàn)象時(shí)停止加壓，利用封孔器卸壓，利用孔窺視儀觀察壓裂效果并及時(shí)記錄。

3.3 應(yīng)用效果

3.3.1 支架工作阻力和來(lái)壓步距

根據(jù)支架工作阻力判斷工作面來(lái)壓情況，在推進(jìn)前50 m的過(guò)程中，2129工作面僅來(lái)壓一次，為初次來(lái)壓，未觀測(cè)到周期來(lái)壓，并且初次來(lái)壓期間，由支架工作阻力監(jiān)測(cè)可知，動(dòng)載系數(shù)為1.86。在采用水力壓裂切頂后，在60 m的推進(jìn)距離內(nèi)監(jiān)測(cè)到3個(gè)周期來(lái)壓，平均步距為20 m，且平均動(dòng)載系數(shù)僅為1.52。

3.3.2 工作面煤壁片幫統(tǒng)計(jì)

未切頂前，工作面回采過(guò)程中多次發(fā)生片幫情況，最大片幫長(zhǎng)度為1.5 m，最大片幫深度為0.6 m。水力壓裂切頂后，工作面片幫狀況明顯好轉(zhuǎn)，未觀測(cè)到片幫尺寸大于0.4 m的片幫。

3.3.3 巷道變形統(tǒng)計(jì)

工作面初期回采過(guò)程中，由于回收的是大巷保護(hù)煤柱，經(jīng)歷了多次回采的影響，因此巷道變形嚴(yán)重，尤其是底板下沉和底臌，變化量較大，對(duì)生產(chǎn)造成了影響。采用水力壓裂切頂后，巷道變形明顯減小，底板下沉和底臌量有大幅減小，對(duì)生產(chǎn)無(wú)影響。

4 結(jié) 論

（1）與鉆孔爆破和注水軟化等切頂方式相比，水力壓裂成本低，可靠性高，是邢東礦2129工作面頂板理想的切頂方式。

（2）高壓注水使得水力裂縫與原生裂隙組合到一起，在巖體內(nèi)形成弱面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，破壞了巖體的完整性，從而促進(jìn)頂板的垮落，減少垮落步距。

（3）水力壓裂切頂后，2129工作面來(lái)壓步距和來(lái)壓強(qiáng)度均明顯減小，巷道頂板下沉和底臌量大幅度下降，煤壁片幫明顯好轉(zhuǎn)，取得了較好的卸壓效果。