魏上津 牛佳波 胡志華

（陜西有色榆林煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000）

陜西有色榆林煤業(yè)有限公司杭來灣煤礦302 盤區(qū)采煤工作面采用一次采全高采煤工藝，可采煤厚度6.4～8.5 m，平均7.5 m。工作面頂板穩(wěn)固性較好、整體性強(qiáng)，自穩(wěn)能力較強(qiáng)，采煤過程中易形成兩端頭三角區(qū)域大面積懸頂集中突然垮落，產(chǎn)生巨大沖擊載荷和颶風(fēng)，對設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p壞且威脅作業(yè)人員安全。鑒于此，在30201 工作面膠運(yùn)順槽研究試用了水壓預(yù)裂技術(shù)，取得了較好的強(qiáng)制放頂效果。

1 工程概況

30201工作面位于3號煤層，該煤層平均厚度7.5 m，煤層埋深115.90～268.05 m。工作面煤層傾角為0.2°～0.5°，平均0.3°，采用綜采一次采全高采煤工藝。該煤層層位穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較為簡單，局部含2 層泥巖夾矸，夾矸厚度0.3 m。直接頂板以粉砂巖、泥巖為主，厚度0.08～49.86 m，變化較大；直接底板以粉砂巖、泥巖為主，厚度0.22～10.25 m。

膠運(yùn)順槽凈斷面寬×高=6.4 m×4.0 m，切眼掘進(jìn)寬度11.5 m、高度5.0 m。30201 工作面膠、輔運(yùn)順槽及聯(lián)巷掘進(jìn)過程中，頂板采用鋼筋網(wǎng)片、錨桿支護(hù)，膠運(yùn)順槽正幫采用Φ20 mm×1800 mm 玻璃鋼錨桿，副幫采用Φ18 mm×2100 mm 金屬錨桿。

2 傳統(tǒng)卸壓技術(shù)綜述

傳統(tǒng)卸壓技術(shù)包括切縫卸壓技術(shù)、打孔卸壓技術(shù)、松動(dòng)爆破技術(shù)。

2.1 切縫卸壓技術(shù)

切縫卸壓技術(shù)主要用于巷道卸壓，多采取底板切縫卸壓方式。切縫卸壓技術(shù)實(shí)施過程中，存在切縫施工難度大、工作量較大、施工工期較長等缺點(diǎn)。巷道切頂卸壓技術(shù)實(shí)施之后，底鼓量顯著減小，但是往往會導(dǎo)致應(yīng)力向兩幫轉(zhuǎn)移，引發(fā)巷道片幫。

2.2 打孔卸壓技術(shù)

打孔卸壓技術(shù)是通過在工作面煤幫側(cè)施工大量斜向鉆孔，達(dá)到工作面頂板應(yīng)力后移、切斷大面積懸頂?shù)男Ч?。該方式能夠?qū)崿F(xiàn)工作面頂板圍巖應(yīng)力的后移，保證采煤工作面的安全，并且能夠達(dá)到切斷懸頂?shù)男Ч５窃摲绞酱嬖谛秹嚎锥?、工作量大、施工進(jìn)度慢等缺點(diǎn)。

2.3 松動(dòng)爆破卸壓技術(shù)

該技術(shù)是在工作面頂板施工鉆孔，裝填炸藥對工作面頂板實(shí)施松動(dòng)爆破，達(dá)到卸載卸壓的效果。該技術(shù)存在爆破卸壓效果難控制、高瓦斯礦井實(shí)施爆破風(fēng)險(xiǎn)大、淺埋擴(kuò)井爆破控頂易對地面構(gòu)成一定威脅等缺陷，實(shí)際應(yīng)用較少。

上述3 種技術(shù)方法在轉(zhuǎn)移工作面圍巖附近應(yīng)力、有效釋放巖體高應(yīng)力、緩解動(dòng)壓方面均有較好效果。但是以上3 個(gè)技術(shù)方法普遍存在工程量大、實(shí)施周期長、施工成本高等缺點(diǎn)，尤其是松動(dòng)爆破卸壓技術(shù)的安全性差、爆破效果難控制。因此，以上3 種技術(shù)方法均未在工作面堅(jiān)硬頂板中得以推廣應(yīng)用。

3 水壓預(yù)裂技術(shù)

3.1 水壓預(yù)裂技術(shù)簡介

水壓預(yù)裂技術(shù)施工工藝成熟、操作簡單、弱化頂板效果可靠，能夠有效縮短周期來壓步距，屬于無公害的強(qiáng)制放頂技術(shù)。該技術(shù)是指針對堅(jiān)硬難垮頂板，預(yù)先施工注水深孔并實(shí)施高壓注水，實(shí)現(xiàn)堅(jiān)硬難垮頂板分段預(yù)裂、切斷堅(jiān)硬頂板之間相互聯(lián)系，避免大面積懸頂形成，達(dá)到頂板分段自行垮落的目的。水力壓裂能夠?qū)崿F(xiàn)頂板巖層的定向切割、轉(zhuǎn)移煤巖體承載高應(yīng)力至深部圍巖，起到有效削弱巖層的整體性和穩(wěn)定性的效果。并且水力壓裂技術(shù)存在切頂卸壓可靠性高、施工工程量小、施工周期短、施工成本低以及適應(yīng)范圍廣（如高瓦斯礦井）等優(yōu)點(diǎn)，能夠適用于工作面堅(jiān)硬頂板卸壓工作。

3.2 作用原理

該技術(shù)作用原理包括壓裂卸壓、注水軟化兩個(gè)方面。鉆孔高壓注水形成裂縫并擴(kuò)展，破壞堅(jiān)硬頂板的整體性，削弱頂板整體強(qiáng)度；高壓水沿著裂縫和裂隙滲入頂板巖石，達(dá)到軟化頂板圍巖、降低頂板強(qiáng)度的效果，促使懸頂分層分次有序垮落[1-2]。

通過水力壓裂實(shí)現(xiàn)頂板圍巖的定向切割，有效控制工作面兩側(cè)孤形三角板的懸臂長度；輔之以高壓注水實(shí)現(xiàn)切縫周邊圍巖的弱化，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)頂板的及時(shí)有序垮落，避免大面積懸頂?shù)某霈F(xiàn)；同時(shí)，水壓預(yù)裂技術(shù)切斷相鄰工作面的應(yīng)力聯(lián)系，避免采動(dòng)應(yīng)力向進(jìn)風(fēng)巷的傳遞，限制頂板覆巖大結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)下沉，有效避免了相鄰工作面的動(dòng)壓相互影響程度。

3.3 施工流程和系統(tǒng)組成

頂板水力預(yù)裂包括封孔、高壓水壓裂、保壓注水預(yù)裂三大工序。水壓預(yù)裂技術(shù)施工流程：液壓坑道鉆機(jī)施工深孔→跨式膨脹型封孔器封孔→3ZSB80/62-90 型高壓水泵注水→保壓形成預(yù)制裂縫。保壓階段裂紋擴(kuò)展會導(dǎo)致孔內(nèi)水壓下降，此時(shí)須利用流量水壓監(jiān)測儀動(dòng)態(tài)監(jiān)測流量及注水量，保證頂板巖層充分注水弱化。

注水壓裂系統(tǒng)主要由封孔器、靜壓水進(jìn)水管路、高壓水泵、流量水壓監(jiān)測儀組成。1）封孔器由中心管和封隔器膠筒組成，通過中心管注入高壓水，封隔器用以密封高壓水壓裂圍巖；2）注水管作用主要包括作為連接構(gòu)件將封隔系統(tǒng)送至預(yù)定位置、作為加壓通道對封隔的鉆孔段進(jìn)行壓裂兩個(gè)方面；3）高壓水泵的作用是給壓裂段加壓預(yù)裂，額定壓力62 MPa；4）流量水壓監(jiān)測儀采用KJ327-F 型，對水壓致裂數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、顯示、記錄，并將采集數(shù)據(jù)（預(yù)裂壓力、流量等信息）傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算。

4 水壓預(yù)裂技術(shù)試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)30201 綜采工作面膠運(yùn)順槽以往頂板懸頂情況，初步確定本次水力壓裂施工的范圍為30201工作面膠運(yùn)順槽23 聯(lián)巷～19 聯(lián)巷300 m 以內(nèi)。

4.1 水壓預(yù)裂高度和寬度的確定

30201 綜采工作面覆巖類型為中硬～堅(jiān)硬型，煤層傾角0.3°。根據(jù)《“三下”采煤規(guī)程》垮落帶發(fā)育高度可采用以下計(jì)算公式[3]：

式中：Hk為垮落帶高度，m；∑M為采煤厚度，30201 工作面采高7.5 m。

根據(jù)杭來灣煤礦開采條件可知，其垮落帶高度Hk為21.12～26.12 m， 結(jié) 合ZK115、SZK125、SZK135、SZK145 四個(gè)鉆孔柱狀圖，垮落帶范圍內(nèi)完整巖層距離巷道頂板的高度分別為24.67 m、17.41 m、24.83 m 和21.16 m。結(jié)合垮落帶發(fā)育高度計(jì)算結(jié)果及四個(gè)鉆孔柱狀圖數(shù)據(jù)，初步確定水力壓裂處理高度為25 m。

根據(jù)302 盤區(qū)大采高綜采工作面每月基本出現(xiàn)6～8 次端頭三角區(qū)大面積懸頂現(xiàn)象，最大懸頂走向長度40 m、傾向長度20 m，初步確定本次30201工作面端頭處理范圍為工作面傾向 0～20 m內(nèi)頂板。

4.2 水壓預(yù)裂孔參數(shù)

為保證工作面端頭頂板及時(shí)垮落，避免頂板大面積懸頂垮落對工作面安全生產(chǎn)的影響，在工作面?zhèn)葞秃拖锏理敯宀贾脡毫雁@孔。設(shè)定預(yù)裂區(qū)域、鉆孔方位、預(yù)裂參數(shù)等，促使采空區(qū)頂板冒落，削弱采空區(qū)頂板完整性，降低采空區(qū)懸頂[4]。設(shè)計(jì)參數(shù)和布置方式如表1、圖1。

圖1 30201 膠運(yùn)順槽水力壓裂鉆孔布置圖（m）

表1 鉆孔參數(shù)表

根據(jù)初步確定的施工范圍，合計(jì)施工30 個(gè)J 孔、15 個(gè)L 孔、15 個(gè)S 孔，施工鉆孔總進(jìn)尺為30 個(gè)×39 m/ 個(gè)（J 孔）+15 個(gè)×45 m/ 個(gè)（L 孔）+15個(gè)×33 m/個(gè)（S 孔）=2340 m。

5 施工工藝和設(shè)備組成

5.1 鉆孔施工

采用液壓坑道鉆機(jī)配合KZ54 型切槽鉆頭施工鉆孔，鉆孔直徑56 mm。KZ54 型切槽鉆頭外徑為54 mm，切槽位置半徑為112 mm（鉆孔半徑的2 倍），橫向切槽形狀如圖2，其作用是實(shí)現(xiàn)可靠封孔。

圖2 橫向切槽形狀示意圖

5.2 頂板水力壓裂施工工藝

5.2.1 封孔工藝

采用跨式膨脹型封孔器進(jìn)行封孔（如圖3）。該封孔器放入鉆孔橫向切槽段，采用高壓手動(dòng)泵輸送封孔介質(zhì)（30201 工作面選用高壓水），實(shí)現(xiàn)封孔。封孔需注意進(jìn)行打壓試驗(yàn)，手動(dòng)泵打壓10 MPa并穩(wěn)壓5 min 以上，以達(dá)到預(yù)定的封孔效果[5-8]。封孔系統(tǒng)的安裝與連接如圖4。

圖3 跨式膨脹型封孔器封孔原理圖

圖4 封孔系統(tǒng)連接示意圖

5.2.2 高壓水力壓裂工藝

高壓水力壓裂采用3ZSB80/62-90 型高壓水泵，該水泵注水壓力可達(dá)80 MPa，流量為60 L/min，電機(jī)功率為90 kW。

壓裂鉆孔J、L、S 長分別為39 m、45 m、33 m，壓裂鉆孔淺部（6 m 范圍以內(nèi)）不壓裂，以保護(hù)巷道錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)。剩余段每隔3 m 壓裂一次，壓裂鉆孔J、L、S 的壓裂次數(shù)分別為11 次、13 次、9 次，每次注水壓裂時(shí)間30 min，注水量62 L/min。

6 實(shí)施效果

經(jīng)現(xiàn)場鉆孔窺視、工程現(xiàn)場驗(yàn)證表明，水壓預(yù)裂技術(shù)實(shí)現(xiàn)了30201 工作面堅(jiān)硬頂板有序周期性垮落，有效避免了大面積懸頂?shù)募锌迓鋵?dǎo)致的安全風(fēng)險(xiǎn)[9]。

6.1 鉆孔窺視切割效果

圖5 為鉆孔窺視儀視頻截圖。根據(jù)鉆孔窺視圖可知，水壓預(yù)裂切縫效果明顯，在鉆孔內(nèi)切開了2條對稱的定向裂隙，裂隙清晰可見，孔壁附近可見裂隙深度200～300 mm。部分頂板巖層較堅(jiān)硬，可見切割深度在100～200 mm。

圖5 鉆孔窺視效果

6.2 相鄰鉆孔漏水觀察

現(xiàn)場施工過程中，常見從鄰孔出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，這一現(xiàn)象表明切縫造成了裂隙發(fā)育，相鄰鉆孔的裂隙相互貫通，達(dá)到了切斷頂板的要求。

6.3 現(xiàn)場端頭懸板情況

未實(shí)施水力預(yù)裂技術(shù)的工作面端頭懸板面積較大且垮落不及時(shí)，易引發(fā)瓦斯積聚、頂板大面積垮落等問題。實(shí)施水力切頂預(yù)裂技術(shù)后的端頭懸板及時(shí)有序垮落，采空區(qū)后幾乎沒有懸頂，有效避免了端頭部位大面積懸頂安全隱患。

6.4 巷道圍巖控制情況

未實(shí)施水力切頂前，由于采空區(qū)頂板垮落不充分以及堅(jiān)硬頂板造成的壓力，巷道超前段存在變形現(xiàn)象，并存在超前單體柱插底現(xiàn)象，部分巷道變形量較大。

實(shí)施水力切頂后，由于端頭懸頂垮落及時(shí)，超前支承壓力影響減小，巷道變形得到有效緩解，超前單體柱壓力減小，回柱工作比原來更為順利，工作效率提高[10-12]。巷道使用斷面得到了有效保證，超前段通風(fēng)、行人更加通暢，對于工作面正常生產(chǎn)提供了有利的保障。

7 結(jié)論

水壓預(yù)裂技術(shù)的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)30201 工作面堅(jiān)硬頂板有序周期性垮落，有效避免了大面積集中垮落形成的颶風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)。鉆孔窺視可見清晰定向裂隙，相鄰鉆孔的裂隙相互貫通，頂板切斷較為徹底，現(xiàn)場端頭懸頂及時(shí)有序垮落，同時(shí)解決了大面積懸頂引發(fā)巷道變形問題。