張紅軍

(山西晉煤集團(tuán) 趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司 趙莊二號(hào)井，山西 長(zhǎng)治 046600)

趙莊二號(hào)井西翼盤區(qū)3號(hào)煤層瓦斯含量大，工作面在回采過(guò)程中由于一次采高大，工作面頂板直接冒落的矸石難以充填滿采空區(qū)，頂板以一定角度向采空區(qū)傾斜，形成懸臂梁[1-3]，造成回采工作面推進(jìn)過(guò)程中回風(fēng)巷上隅角經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)頂板不能及時(shí)垮落現(xiàn)象，導(dǎo)致采空區(qū)后方懸頂面積增大，容易造成瓦斯積聚[4-5]。為了讓巷道頂板及時(shí)垮落，上隅角懸頂處目前均采用爆破方法進(jìn)行處理，但該方法存在很大安全隱患，在瓦斯積聚區(qū)域進(jìn)行火藥爆破，極易造成瓦斯爆炸事故，如何更高效、更安全處理上隅角頂板垮落成為當(dāng)前急需解決的問(wèn)題[6-8]。

結(jié)合水力壓裂技術(shù)處理堅(jiān)硬頂板的實(shí)踐成果[9-13]，擬采用水力壓裂技術(shù)對(duì)23012回風(fēng)巷進(jìn)行水力壓裂處理巷道頂板上隅角使其及時(shí)垮落，解決工作面上隅角瓦斯聚集問(wèn)題[14-16]。

1 工程概況與地質(zhì)力學(xué)測(cè)試

趙莊二號(hào)井西翼首采面2301為放頂煤工作面，煤層厚度3.4～5.7m，平均4.4m，煤層傾角0°～7°，平均傾角3°。走向長(zhǎng)594.4m，傾斜長(zhǎng)154.7m。工作面埋深484.81～519.85m，平均深度500m左右。井下位置北部為礦界，東部為實(shí)體煤，南部為西翼三大巷，西部為實(shí)體煤，巷道沿底板掘進(jìn)，形狀為矩形，斷面為4.5m×3.1m，采用錨桿索支護(hù)，巷道布置如圖1所示。

圖1 2301工作面巷道布置

煤層綜合柱狀如圖2所示，3號(hào)煤層直接頂為細(xì)粒砂巖，平均厚度為3.4m，基本頂為中粒和粉砂巖 ，深灰色，完整性高。底板為砂質(zhì)泥巖和炭質(zhì)泥巖，局部為細(xì)粒砂巖和粗粒砂巖。

圖2 煤層綜合柱狀

地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如表1所示，測(cè)試區(qū)域平均埋深427.4m，最大水平主應(yīng)力為13.6MPa，最小水平主應(yīng)力為7.1MPa，垂直應(yīng)力為10.6 MPa。從量值上分析，該區(qū)域?qū)儆谥械葢?yīng)力值區(qū)域，應(yīng)力場(chǎng)類型為σH>σV>σh應(yīng)力場(chǎng)，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹26.7°E。

表1 地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

水平主應(yīng)力對(duì)巷道頂、底板的影響作用大于對(duì)兩幫的影響；垂直應(yīng)力主要影響巷道的兩幫。

2 壓裂深度分析

趙莊二號(hào)井2301工作面采用放頂煤工藝，采3m，放頂1.5m，結(jié)合煤巖層綜合地質(zhì)柱狀圖進(jìn)行理論計(jì)算分析其工作面頂板的運(yùn)移狀態(tài)。

其工作面頂板裂縫帶巖梁的位置即為上位基本頂回轉(zhuǎn)變形巖梁的位置，根據(jù)下列公式計(jì)算進(jìn)入裂縫帶的基本頂巖層。

將2301工作面相關(guān)數(shù)據(jù)代入上述公式，可得出第3層基本頂巖梁，即12.62m粉砂巖為巖層裂縫帶巖層，其下巖層為冒落帶巖層。確定壓裂鉆孔垂深范圍為20m。

為評(píng)估壓裂位置的巖性及巖層結(jié)構(gòu)，在壓裂前對(duì)鉆孔進(jìn)行巖層結(jié)構(gòu)窺視，結(jié)果如圖3所示。深孔內(nèi)穿越十余層巖層(砂巖/砂質(zhì)泥巖/煤線)，孔口巖層較完整，除局部出現(xiàn)短裂隙外，無(wú)明顯破碎連通裂縫存在。有必要實(shí)施壓裂，弱化頂板巖層的整體性，使其及時(shí)垮落。

圖3 鉆孔窺視結(jié)果

3 水力壓裂方案

結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定23012回風(fēng)巷頂板采用深淺孔交替壓裂方案。鉆孔斷面如圖4所示。

圖4 2301回風(fēng)巷壓裂鉆孔平面

3.1 深孔方案

工作面?zhèn)茹@孔(深孔)在頂板開孔，位置距煤柱側(cè)巷幫1m，鉆孔直徑75mm，鉆孔長(zhǎng)度為48m，鉆孔平行巷道軸線方向，仰角角度為60°，孔間距為10m。

3.2 淺孔方案

煤柱側(cè)鉆孔(淺孔)布置在頂幫連接處開孔，鉆孔直徑75mm，鉆孔長(zhǎng)度為20m，垂直煤幫，仰角角度為70°～80°，孔間距為10m。

在巷道靠近煤柱側(cè)布置2排鉆孔，采用深淺孔交錯(cuò)布置。為保證壓裂效果，壓裂順序?yàn)橛蓛?nèi)而外，每3m壓裂1次，每次壓裂時(shí)間為30min。同時(shí)對(duì)于48m深孔來(lái)說(shuō)，孔口至孔內(nèi)8m范圍內(nèi)不進(jìn)行壓裂，對(duì)于20m孔來(lái)說(shuō)孔口至孔內(nèi)7m范圍內(nèi)不進(jìn)行壓裂。

壓裂作業(yè)需超前回采工作面50m以上。為保證上隅角頂板及時(shí)垮落，在切頂架支設(shè)前將回風(fēng)巷錨桿、錨索退錨。

4 效果監(jiān)測(cè)分析

4.1 壓裂階段

現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中對(duì)每一個(gè)壓裂孔詳細(xì)記錄了作業(yè)時(shí)間、水壓值、注水流量等重要參數(shù)，以便更好地指導(dǎo)下一步壓裂施工。監(jiān)測(cè)表明，深孔底部壓裂段最大水壓34MPa，淺孔底部最大水壓18MPa。

4.2 回采階段

回采工作面推進(jìn)壓裂區(qū)范圍過(guò)程中，上隅角直接頂基本實(shí)現(xiàn)隨采隨冒(特殊區(qū)段最大懸頂面積7.5m2)，垮落效果顯著，達(dá)到了國(guó)家安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化要求。從根本上消除了上隅角爆破放頂施工的危險(xiǎn)性。

為評(píng)價(jià)壓裂對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響，監(jiān)測(cè)壓裂區(qū)巷道圍巖變形情況，從水力壓裂起始點(diǎn)設(shè)置第06號(hào)離層儀，停采線位置設(shè)置第01號(hào)離層儀，向巷口方向每隔50m設(shè)置1個(gè)綜合位移測(cè)站，監(jiān)測(cè)頂板離層量、頂?shù)装寮皟蓭鸵平俊?/p>

離層儀受采動(dòng)影響的最大啟動(dòng)距離110m；回采面端頭深部最大離層量140mm，淺部最大離層值72mm。且急劇增大階段該離層儀處于超前支護(hù)范圍內(nèi)。頂板水力壓裂超前施工能夠滿足安全生產(chǎn)要求。

巷道兩幫最大移近量385mm，頂?shù)装遄畲笠平?75mm。且變形急劇增大階段處于巷道超前支護(hù)范圍內(nèi)。整體上回風(fēng)巷回采面端頭巷道寬度不小于4000mm，高度2500～3000mm，能夠滿足安全生產(chǎn)要求。

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，頂板壓裂可有效弱化頂板巖層的整體性，同時(shí)并未影響巷道圍巖的整體完整性，保證上隅角頂板及時(shí)垮落時(shí)并未影響巷道安全使用。

5 結(jié) 論

(1)針對(duì)趙莊二號(hào)井3號(hào)煤層頂板完整、工作面回采過(guò)程中上隅角無(wú)法及時(shí)垮落的難題，提出采用水力壓裂方式進(jìn)行可控切頂，為高瓦斯礦井上隅角懸頂面積治理提供了安全環(huán)保技術(shù)手段。

(2)基于定向水力壓裂技術(shù)原理，理論計(jì)算壓裂深度范圍為20m，確定鉆孔最大深度為48m，提出了深淺孔交替壓裂的施工技術(shù)方案。

(3)回采工作面推進(jìn)壓裂區(qū)范圍過(guò)程中，上隅角直接頂基本實(shí)現(xiàn)隨采隨冒(特殊區(qū)段最大懸頂面積7.5m2)，垮落效果明顯，解決了工作面超前施工與安全管理難題。