張智超

（山西焦煤西山煤電西曲礦，山西 古交 030200）

堅硬頂板煤層在我國大多數(shù)礦區(qū)均有賦存。由于煤層頂板強度較大，綜采工作面回采后采空區(qū)頂板垮落難度較大，導致采空區(qū)懸頂面積較大。當大面積懸頂一次性垮落后，將產(chǎn)生強烈的動壓現(xiàn)象，同時采空區(qū)有毒有害氣體會在頂板垮落過程中大量涌出，影響工作面安全生產(chǎn)[1-3]。針對堅硬頂板工作面懸頂面積大、礦壓顯現(xiàn)強烈問題，學者進行了大量的研究。楊俊哲等人根據(jù)堅硬頂板斷裂特征，揭示了關鍵層破斷回轉導致強動壓現(xiàn)象發(fā)生的機理； 楊智文等人采用頂板爆破弱化頂板技術降低工作面沖擊地壓現(xiàn)象； 陳廣帥等人采用預裂爆破技術，降低巷道支護強度從而減小工作面懸頂面積[4-6]。以西曲礦18402 工作面堅硬頂板條件為背景，為有效降低工作面礦壓顯現(xiàn)強度，對水力壓裂弱化頂板技術進行了研究，采用水力壓裂促使工作面堅硬頂板及時垮落，保證工作面安全生產(chǎn)。

1 工程概況

西曲礦18402 工作面開采的8 號煤層厚度平均為4.15 m，傾角平均為4°，煤層條件穩(wěn)定，8 號煤層頂板堅硬，頂?shù)装鍡l件如圖1 所示。18402 工作面屬孤島工作面，工作面走向長度585 m，傾斜長度218 m，煤層埋深在126～250 m，周邊開采情況如圖2 所示。根據(jù)8 號煤其他工作面開采經(jīng)驗，在未采取強制放頂措施下，工作面初次垮落步距可達30～40 m，端頭懸頂面積可達12 m2，甚至達到15 m2以上，懸頂面積超過可控范圍。

圖1 煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖

圖2 18402 工作面布置

2 水力壓裂方案

水力壓裂作為弱化頂板強度的新技術，通過在巖層中注入高壓水，從而擴展巖體內(nèi)部裂隙，加大堅硬巖層內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育程度，達到弱化頂板強度的目的。

針對8 號煤層堅硬頂板賦存條件，為減小工作面初采期間頂板斷裂步距，需采取措施促使下位L1石灰?guī)r盡早斷裂垮落，同時使其上方6.8 m石英中粒砂巖頂板斷裂失穩(wěn)，以減少該厚層堅硬頂板初次來壓的影響。因此，水力壓裂高度為煤層上覆石英中粒砂巖頂板高度，分析可知頂板斷裂高度為18 m。同時，針對端頭懸頂問題，需對中低位堅硬巖層預裂，以利于下位巖層的冒落，因此端頭水力壓裂頂板的高度為8 m。

2.1 工作面初采階段

18402 工作面初采階段切眼水力壓裂鉆孔布置在整個切眼及切眼端頭巷道30 m 范圍內(nèi)。由于切眼內(nèi)存在陷落柱構造，因此在陷落柱影響的50 m范圍內(nèi)不進行水力壓裂，鉆孔從切眼50 m 處開始布置。具體方案如下：切眼內(nèi)50～155 m 按照每組2 個鉆孔進行布置，每組鉆孔排距為15 m，分別為鉆孔A 和鉆孔B；在切眼156～213 m 段按照每組3 個鉆孔施工，分別為鉆孔A、鉆孔C 和鉆孔D，每組鉆孔排距為15 m。切眼靠近18402 副巷側僅在副巷內(nèi)施工鉆孔E 和鉆孔F 兩組鉆孔，如圖3 所示。

圖3 工作面初采初放水力壓裂鉆孔布置

鉆孔A 從副巷平行于切眼向正巷施工，與水平夾角為60°，孔深20 m；鉆孔B 由切眼向煤壁方向施工，與水平夾角為50°，孔深23 m；鉆孔C由副巷向正巷施工，與水平夾角為45°，與切眼方向夾角為25°，孔深25.5 m；鉆孔D 由切眼向煤壁方向施工，與水平夾角為45°，孔深25.5 m。鉆孔E 和鉆孔F 采用交錯布置方式，鉆孔E 距副巷煤壁側巷幫0.5 m，與巷道走向平行，向采空區(qū)偏移45°，孔深25.5 m；鉆孔F 距副巷煤柱側巷幫0.5 m，與巷道走向夾角為10°，向采空區(qū)偏移45°，孔深25.5 m。水力壓裂鉆孔直徑均為65 mm。

2.2 端頭放頂

由于18402 工作面副巷區(qū)域存在陷落柱構造，初采期間端頭水力壓裂放頂僅在18402 正巷施工。鉆孔布置在18402 正巷內(nèi)，每組鉆孔布置2 個，分別為鉆孔H 和鉆孔L，每組鉆孔間距為10 m，采用交錯布置方式。鉆孔H 與巷道煤柱幫距離為0.3 m，與頂板垂直施工，孔深為9 m；鉆孔L與巷道煤壁側巷幫距離為0.3 m，與頂板垂直施工，孔深為8 m。端頭巷道內(nèi)水力壓裂鉆孔直徑為42 mm，如圖4 所示。

圖4 工作面初采初放水力壓裂鉆孔布置

3 現(xiàn)場應用與效果

3.1 水力壓裂情況

（1）切眼內(nèi)壓裂情況

18402 工作面初采前對切眼內(nèi)及切眼端頭巷道內(nèi)的壓裂鉆孔A、B、C、D、E、F 進行水力壓裂，工作面正巷側鉆孔壓裂次數(shù)為6～9 次，切眼中部鉆孔壓裂次數(shù)為4～5 次，每次的壓裂時間為30 min，切眼內(nèi)水力壓裂結束后開始初采。

（2）正巷壓裂情況

端頭水力壓裂為鉆孔L、H，18402 正巷內(nèi)鉆孔水力壓裂過程如下： 鉆孔H 壓裂次數(shù)為4～7次，鉆孔L 第一天壓裂次數(shù)為3～5 次，注水壓力值為24～26 MPa。

3.2 效果分析

（1）初采初放期間壓裂效果

工作面推進9 m 時，工作面靠近正巷側頂板開始垮落；推進至19 m 時，工作面中部局部區(qū)域與工作面靠近副巷側頂板開始垮落； 推進至28 m時，工作面頂板全部垮落。

分析可知，工作面頂板在推進20 m 時開始大范圍垮落，推進28 m 時，工作面內(nèi)頂板全部垮落。相鄰18403 工作面在采用爆破預裂技術時，初次來壓步距為30～34 m； 其他相鄰工作面在不采取強制放頂措施時，工作面初次來壓步距為30～40 m，平均35 m 左右。類比可知，在采用水力壓裂技術后，頂板垮落步距明顯減小。

（2）端頭壓裂效果

為直觀了解水力壓裂技術應用之后鉆孔裂隙的擴展情況，采用鉆孔窺視儀對鉆孔壓裂前后的影像資料進行了采集。對比分析可知，石灰?guī)r堅硬頂板經(jīng)水力壓裂之后，能夠產(chǎn)生明顯的水壓裂縫，降低了石灰?guī)r完整性； 巖層淺處沿弱結構面形成了有效破碎帶，巖層深部沿弱節(jié)理結構形成了明顯的縱向裂隙帶，如圖5 所示。

圖5 正巷端頭懸頂水力壓裂鉆孔窺視效果

采用水力壓裂技術后，18402 工作面正巷端頭無懸頂，18402 工作面副巷端頭懸頂面積約2～6 m2，兩巷端頭懸頂面積可控制在規(guī)定范圍內(nèi)。

4 結論

以西曲礦18402 工作面開采條件為背景，對堅硬頂板工作面初采水力壓裂頂板弱化技術進行了應用，結論如下：

1）通過分析頂板賦存情況，以及工作面初采來壓與端頭頂板斷裂特征，制定了水力壓裂鉆孔布置方案，確定切眼水力壓裂頂板高度為18 m，端頭水力壓裂頂板的高度為8 m。

2）根據(jù)工作面堅硬頂板賦存情況，確定切眼水力壓裂頂板高度為18 m，正巷端頭水力壓裂頂板的高度為8 m，并根據(jù)工作面初采來壓與端頭頂板斷裂特征制定了水力壓裂鉆孔布置方案。

3）現(xiàn)場進行了水力壓裂技術應用，結果表明，工作面頂板推進28 m 時全部垮落，工作面正巷端頭無懸頂。18402 工作面副巷端頭懸頂面積約2～6 m2，相比未采用水力壓裂措施的工作面，頂板垮落步距明顯減小，兩巷端頭懸頂面積控制在規(guī)定范圍內(nèi)。