段奧東

（潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 寧武 036700）

1 工程概況

潞寧煤業(yè)公司侏羅系大同組上部2#煤層22116工作面位于礦田西南部，工作面平均走向長度為1 877.233 m，傾向長155.8 m，煤層厚度3.5 m。工作面區(qū)域地層整體為一南東向傾斜單斜構(gòu)造，煤層走向N48°W，傾向S138°E。工作面區(qū)域內(nèi)煤層結(jié)構(gòu)簡單，中部夾不連續(xù)的薄層炭質(zhì)泥巖夾矸，煤層厚度1.0～5.0 m，平均厚度3.5 m，煤質(zhì)編號(hào)為氣煤，具有金屬—玻璃光澤，堅(jiān)硬、性脆，局部煤質(zhì)松軟、破碎，煤層硬度為3.5，傾角7°～15°。煤層頂?shù)装鍘r性及厚度特征如圖1 所示。22116 工作面風(fēng)運(yùn)巷均采用全錨網(wǎng)支護(hù)，運(yùn)巷和風(fēng)巷的頂幫錨桿均采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規(guī)格為Φ22～24 mm×2400 mm，配套螺帽為高強(qiáng)度加長螺母。

圖1 22116 工作面煤巖柱狀圖

2 堅(jiān)硬頂板等級(jí)及切頂高度分析

為制定合理的頂板控制方案，需首先確定采場(chǎng)堅(jiān)硬頂板的等級(jí)，采場(chǎng)基本頂?shù)V壓顯現(xiàn)強(qiáng)度可由基本頂初次來壓當(dāng)量Pe來劃分，其計(jì)算公式[1]：

式中：N 為基本頂厚度比上采高；h 為采高，m；Lf為基本頂初次垮落步距，m。

潞寧煤業(yè)公司22116 工作面采高為3.5 m，基本頂為厚度16 m 的細(xì)粒砂巖，基本頂初次垮落步距計(jì)算公式[2]：

式中：h 為基本頂厚度，m；Rt為基本頂抗拉強(qiáng)度，MPa；q 為基本頂受到的垂直應(yīng)力載荷，MPa。

基本頂身重力引起的載荷q1=γ1×h1=24.8×16=396.8 kPa，上部第二層巖層對(duì)基本頂?shù)妮d荷：

因?yàn)椋╭2）1＜q1，可知頂板第二層巖層對(duì)基本頂基本無載荷，則可確定基本頂所受載荷q=q1=396.8 kPa，基本頂抗拉強(qiáng)度為5.90 MPa，計(jì)算可得基本頂初次垮落步距為35.62 m，代入式（1）計(jì)算得到基本頂初次來壓當(dāng)量Pe=975.4。根據(jù)《緩傾斜采煤工作面頂板分類》相關(guān)規(guī)定[3]，Pe=975.4＞975，則基本頂屬于III 級(jí)頂板，即礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈類型頂板。

為避免22116 工作面及回采巷道受到劇烈礦壓影響發(fā)生破壞，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧?duì)頂板進(jìn)行弱化，而弱化的高度應(yīng)根據(jù)采場(chǎng)頂板的冒落帶高度進(jìn)行確定。冒落帶高度計(jì)算公式[4-5]：

式中：M 為采高，m；β 為工作面傾角，（°）；Kp為頂板巖層碎脹系數(shù)。

22116 工作面采高3.5 m，傾角為12°，頂板巖層主要為堅(jiān)硬的砂巖，碎脹系數(shù)取1.3，因此計(jì)算得到冒落帶高度為11.9 m，預(yù)裂垂直高度應(yīng)不小于11.9 m。22116 工作面上方均厚16 m 細(xì)粒砂巖、粉砂巖、泥巖交互巖層即為直接頂也為基本頂，為采場(chǎng)頂板弱化的主要對(duì)象。

3 頂板水力壓裂弱化方案

根據(jù)水力壓裂施工鉆場(chǎng)的不同可分為工作面水壓致裂和回采巷道水壓致裂。將鉆場(chǎng)布置在采煤工作面常面臨以下問題：鉆孔施工影響工作面的正常生產(chǎn)；水力壓裂鉆孔施工空間狹小，工作面效率較低；工作面前方頂板應(yīng)力狀態(tài)、破壞狀態(tài)復(fù)雜，水力裂紋軌跡難以控制；工作面每推進(jìn)一段距離，需要停下來施工大量水力壓裂鉆孔，工程量大。將鉆場(chǎng)布置在兩側(cè)回采巷道內(nèi)能夠有效避免上述問題，因此確定22116 工作面頂板壓裂鉆孔布置在兩側(cè)回采巷道內(nèi)。工作面回采期間，將引起前方一定范圍內(nèi)的垂直應(yīng)力發(fā)生變化，超前支承壓力影響導(dǎo)致頂板巖層的應(yīng)力狀態(tài)更為復(fù)雜，水力裂紋的擴(kuò)展軌跡將難以控制和預(yù)測(cè)，因此水力壓裂時(shí)應(yīng)選擇在接近原巖應(yīng)力的區(qū)域，即大于工作面超前支承壓力的影響范圍。22116 工作面壓裂時(shí)機(jī)確定為超前工作面80～150 m。

為保證采場(chǎng)兩側(cè)及中部頂板均得到良好的弱化，22116 工作面頂板設(shè)計(jì)三類壓裂鉆孔（A 類、B 類、C 類）。三類鉆孔的直徑均為56 mm，同一類鉆孔的布置參數(shù)相同。鉆孔布置平面圖如圖2 所示。距工作面開切眼50 m 開始布置鉆孔，鉆孔的終孔垂直高度均為16 m。三類鉆孔的詳細(xì)參數(shù)如表1 所示。

圖2 22116 工作面頂板水力壓裂鉆孔布置

表1 各類水力壓裂鉆孔參數(shù)

為保證每個(gè)鉆孔的壓裂效果，在每個(gè)鉆孔附近布置相應(yīng)的觀測(cè)孔，觀測(cè)孔直徑為56 mm。觀測(cè)孔的整體布置情況如圖2 所示，各類觀測(cè)孔的詳細(xì)參數(shù)如表2 所示。

表2 各類觀測(cè)鉆孔參數(shù)

22116 工作面采用定向水壓預(yù)裂技術(shù)弱化其頂板，主要施工機(jī)具有高壓泵、切槽刀具、水管等，每個(gè)鉆孔均進(jìn)行四次水力壓裂。壓裂中心距孔口的距離詳見表3。水力壓裂后，預(yù)計(jì)水力裂紋分布如圖3 所示。22116 工作面回采巷道施工完成后，由切眼附近的回采巷道內(nèi)開始水力壓裂鉆孔的施工。鉆孔完成后，首先采用高壓水進(jìn)行沖孔，然后將切槽鉆頭、封孔器、注水軟管及注水鋼管一并推入水力壓裂鉆孔內(nèi)，切槽鉆孔推至孔底后，通過注水軟管對(duì)封孔器進(jìn)行注水。封孔完成后通過注水鋼管注入高壓水，當(dāng)頂板或鄰近觀測(cè)孔出現(xiàn)水流時(shí)，表明壓裂成功。重復(fù)以上工藝完成整個(gè)頂板的壓裂弱化。工作面開始回采前，首先完成距切眼200 m 范圍內(nèi)頂板的預(yù)裂，工作面投入生產(chǎn)后，超前工作面在100 m 左右進(jìn)行定向水壓預(yù)裂技術(shù)弱化頂板。

圖3 22116 工作面頂板預(yù)計(jì)總體致裂效果

4 水力壓裂效果分析

為考察采場(chǎng)頂板巖層的弱化效果，在22116 工作面回采期間，將工作面分為上部、中部、下部三個(gè)測(cè)區(qū)，監(jiān)測(cè)、記錄液壓支架的工作阻力，整理可得未進(jìn)行水力壓裂的22114 工作面和進(jìn)行水力壓裂的22116 工作面支架工作阻力的變化規(guī)律如圖4 所示。圖4（a）所示為22114 工作面液壓支架工作阻力變化規(guī)律。三個(gè)測(cè)區(qū)液壓支架工作阻力的首個(gè)峰值出現(xiàn)在工作面推進(jìn)約53 m 時(shí)，工作面繼續(xù)推進(jìn)，液壓支架工作阻力又出現(xiàn)三個(gè)峰值，峰值間工作面推進(jìn)平均距離為21 m。由此可知，22114 工作面基本頂初次來壓步距為53 m，周期來壓步距約為21 m，支架工作阻力峰值平均為4000 kN。圖4（b）所示為22116 工作面液壓支架工作阻力變化規(guī)律。首個(gè)峰值出現(xiàn)在工作面推進(jìn)32 m 后，各峰值間平均距離約17 m?？芍卷敵醮蝸韷翰骄酁?2 m，周期來壓步距為16 m，峰值平均值為3180 kN。由此說明，采用水力壓裂技術(shù)對(duì)頂板進(jìn)行弱化后，使基本頂?shù)某醮蝸韷汉椭芷趤韷翰骄嗑黠@減小，來壓強(qiáng)度同樣顯著減弱，能夠減小采場(chǎng)頂板懸露面積，有效防止大面積來壓引發(fā)的安全事故。

表3 各致裂孔注水位置參數(shù)

圖4 液壓支架工作阻力變化

5 結(jié)論

根據(jù)22116 工作面地質(zhì)條件，得到采場(chǎng)頂板冒落帶高度為11.9 m，基本頂初次垮落步距34.42 m，頂板屬于礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈類型頂板，提出了用水力壓裂技術(shù)對(duì)頂板進(jìn)行弱化。設(shè)計(jì)A 類、B 類、C 類三種壓裂鉆孔并施工相對(duì)應(yīng)的觀測(cè)孔，制定定向水力壓裂技術(shù)的施工工藝，監(jiān)測(cè)液壓支架工作阻力的變化規(guī)律。結(jié)果表明，水力壓裂技術(shù)減小了基本頂初次來壓和周期來壓步距，且來壓強(qiáng)度顯著減弱，能夠有效避免堅(jiān)硬頂板的大面積來壓現(xiàn)象，為工作面的安全生產(chǎn)提供保障，該技術(shù)可進(jìn)行推廣。