呂兆海，黃海鵬，楊皓博，魏?jiǎn)⒚?，苑振山，辛廣偉，岳曉軍

(1.國(guó)家能源集團(tuán) 寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750001；2.陜西彬長(zhǎng)煤礦小莊礦業(yè)有限公司，陜西 彬洲 713500)

0 引言

堅(jiān)硬煤巖體頂板導(dǎo)致采空區(qū)懸頂面積增加、采后不垮，致使工作面開采后四周產(chǎn)生較高的支承壓力[1]。針對(duì)堅(jiān)硬煤巖體頂板開采通常采用深孔爆破技術(shù)和煤層水力致裂技術(shù)進(jìn)行預(yù)先弱化處理[2-3]；水力壓裂技術(shù)是指在鉆孔壓裂段采用切槽鉆頭預(yù)制裂縫，從而控制水力壓裂裂紋擴(kuò)展方向，按照設(shè)定方向?qū)r石拉裂—切斷[4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)堅(jiān)硬煤巖體頂板進(jìn)行了大量研究，何滿潮等[5]通過聚能爆破對(duì)頂板進(jìn)行切縫，改變巖體間的應(yīng)力傳遞路徑，進(jìn)而改變巖層結(jié)構(gòu)形態(tài)、礦壓分布區(qū)域。張書軍等[6]通過理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等手段明確了爆破切頂卸壓技術(shù)對(duì)控制沿空掘巷圍巖變形中的積極作用，并研究了爆破、裝藥等相關(guān)工藝和參數(shù)。黃炳香等[7]提出定向水力割縫致裂方法，實(shí)現(xiàn)圍巖弱化、應(yīng)力轉(zhuǎn)移、誘導(dǎo)礦壓破煤等功能。鄧廣哲等[8-9]將堅(jiān)硬煤層水力致裂技術(shù)和煤礦放頂煤開采結(jié)合，在兗州礦業(yè)集團(tuán)、陜西焦坪礦區(qū)等礦區(qū)開展工業(yè)試驗(yàn)。水力壓裂技術(shù)不僅能破壞頂板圍巖的完整性，降低頂板圍巖整體強(qiáng)度，同時(shí)也能改變工作面頂板圍巖的應(yīng)力狀態(tài)和裂隙帶分布。本文主要對(duì)寧東礦區(qū)梅花井煤礦堅(jiān)硬頂板水壓致裂技術(shù)進(jìn)行研究，通過水壓預(yù)裂設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集分析、致裂效果分析，提出了水壓致裂泄壓預(yù)先弱化處理堅(jiān)硬煤層頂板，以改變其整體受力結(jié)構(gòu)特性，對(duì)類似工作面具有借鑒意義。

1 水壓致裂理論分析

在堅(jiān)硬頂板厚煤層工作面回采前，使用特制鉆頭對(duì)試驗(yàn)孔實(shí)施橫向切槽工藝，然后將切槽部位封閉，進(jìn)行高壓注水使橫向切槽的端部產(chǎn)生裂隙，持續(xù)加壓注水后使裂隙沿巖層向外逐步擴(kuò)展，煤柱體上部圍巖中構(gòu)成初始的“標(biāo)準(zhǔn)預(yù)裂斜面”。隨工作面推進(jìn)，受工作面周期來壓影響，采場(chǎng)上部巖層沿“標(biāo)準(zhǔn)預(yù)裂斜面”彎曲斷裂下沉，使上覆巖層堅(jiān)硬頂板形成的懸臂梁及時(shí)斷裂垮落，弱化側(cè)向支承壓力對(duì)煤柱體的作用，改變傳遞巖梁的應(yīng)力分布，改善留巷的壓力，其如圖1(a)所示。

在水力壓裂頂板情形下，如圖1(b)所示：采空區(qū)頂板自然垮落伴隨旋轉(zhuǎn)下沉引起煤柱上方應(yīng)力集中，藍(lán)色曲線階段(Ⅰ)所示；當(dāng)應(yīng)力集中水平超出煤柱承載極限時(shí)，煤柱開始變形破壞必然引起應(yīng)力釋放，如藍(lán)色曲線階段(Ⅱ)所示。在水力壓裂頂板情形下，在開采工作沒有導(dǎo)致切縫滑動(dòng)時(shí)，煤柱體上部出現(xiàn)短暫時(shí)間的應(yīng)力集中現(xiàn)象，如棕色曲線階段(Ⅰ)所示；隨著開采區(qū)域面積的增大，引起采空區(qū)側(cè)頂板沿著切縫滑動(dòng)，造成煤柱上方應(yīng)力衰減現(xiàn)象，如棕色曲線階段(Ⅱ)所示。水力壓裂頂板形成切縫，改變了頂板的變形破壞方式，導(dǎo)致工作面巷道圍巖塑性區(qū)分布產(chǎn)生差異。在水力壓裂頂板情形下煤柱上方應(yīng)力出現(xiàn)衰減的根本原因是水力切縫改變了采空區(qū)側(cè)的頂板變形破壞方式，進(jìn)而影響圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，導(dǎo)致巷道圍巖塑性區(qū)域分布產(chǎn)生差異，最終引起巷道圍巖變形。

圖1 水壓預(yù)裂及其應(yīng)力演化對(duì)比

2 工程實(shí)踐

梅花井煤礦綜采工作面埋深73～207 m，工作面走向長(zhǎng)1350 m，煤層傾角22.9°～29.0°，煤厚2.5～9.1 m，平均厚度3.54 m，局部含0.3 m夾矸，為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的中厚—厚煤層，煤層頂板堅(jiān)硬完整。在回采過程中上、下端頭采空區(qū)頂板冒落不充分，局部懸頂面積大，這不僅對(duì)工作面安全開采造成了極大的威脅，而且引起輔運(yùn)巷應(yīng)力集中，輔運(yùn)巷圍巖變形量增大。為保證工作面安全回采，并減少輔運(yùn)巷的維修量，對(duì)綜采工作面回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷采取水壓預(yù)裂措施，在巖體內(nèi)部形成縱橫相間的裂隙，使工作面回采后頂板能夠及時(shí)垮落，減弱輔運(yùn)巷頂板變形。

2.1 壓裂參數(shù)選取

根據(jù)礦井開采特點(diǎn)，結(jié)合地質(zhì)綜合柱狀圖分析工作面頂板運(yùn)移規(guī)律，工作面頂板上覆巖層裂隙帶巖梁的層位即為老頂變形巖梁所在的層位，計(jì)算得出老頂巖層真厚度[10-13]，從而確定水力壓裂鉆孔深度。

(1)

將工作面相關(guān)參數(shù)代入式(1)中，得出壓裂試驗(yàn)孔垂深應(yīng)達(dá)到15 m，以保證水力壓裂效果。

2.2 水壓預(yù)裂設(shè)計(jì)

工作面回風(fēng)巷上幫肩窩處、運(yùn)輸巷下幫肩窩處各施工兩排水壓預(yù)裂鉆孔，最下面一排水壓預(yù)裂鉆孔距離底板2 m，兩排鉆孔在豎直方向上相距0.5 m。第一排第一個(gè)鉆孔位于超前工作面煤壁10 m處，其余鉆孔以5 m間隔依次向巷口方向施工；第二排第一個(gè)鉆孔位于超前工作面煤壁12.5 m處，其余鉆孔以5 m間隔依次向巷口方向施工。兩排鉆孔三花布置。運(yùn)輸巷下幫鉆孔孔徑均為43 mm，鉆孔深度均為15 m，垂直于底板方向，水壓預(yù)裂鉆孔施工方向?yàn)樵谪Q直方向上偏向采空區(qū)2°。垂直于巷幫方向，水壓預(yù)裂鉆孔施工方向?yàn)樵谒椒较蛏掀虿煽諈^(qū)25°?；仫L(fēng)巷上幫鉆孔孔徑均為43 mm，孔深均為15 m，垂直于底板方向，水壓預(yù)裂鉆孔施工方向?yàn)樵谪Q直方向上偏向采空區(qū)2°。以垂直于巷幫方向，水壓預(yù)裂鉆孔施工方向?yàn)樵谒椒较蛏掀虿煽諈^(qū)25°，如圖2、圖3所示為回風(fēng)巷及運(yùn)輸巷水力壓裂鉆孔。

圖2 回風(fēng)巷水壓預(yù)裂鉆孔三視圖

鉆孔施工完成后，向孔內(nèi)安裝5 m長(zhǎng)KJ10高壓膠管，膠管末端安裝直通或變頭，用于連接壓力表及截止閥，使用馬麗散進(jìn)行封孔，封孔長(zhǎng)度3 m，如圖4所示。

圖4 水壓預(yù)裂頂板示意圖

水壓預(yù)裂鉆孔施工后采用馬麗散及時(shí)封孔，24 h后進(jìn)行注水預(yù)裂，在施工過程中必須單孔逐個(gè)注水。在注水過程中觀察壓力表讀數(shù)，當(dāng)壓力表讀數(shù)達(dá)到峰值并持續(xù)一段時(shí)間后，壓力表讀數(shù)開始下降，該孔注水結(jié)束，進(jìn)行下一個(gè)孔的注水作業(yè)。

2.3 水力壓裂數(shù)據(jù)采集分析

井下試驗(yàn)孔施工總工期15 d，試驗(yàn)巷道長(zhǎng)度200 m，打了19個(gè)試驗(yàn)孔。通過數(shù)據(jù)分析：壓裂試驗(yàn)產(chǎn)生的壓力在2～16 MPa，壓裂壓力基本分布在8～16 MPa。試驗(yàn)孔在角度相同的情形下，壓裂試驗(yàn)產(chǎn)生的工作壓力與煤巖體的抗拉強(qiáng)度相關(guān)， 壓裂試驗(yàn)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)壓力小于工作水泵額定值65 MPa。因此，試驗(yàn)區(qū)域煤巖體受壓后，實(shí)現(xiàn)了在試驗(yàn)孔狀態(tài)改變下其結(jié)構(gòu)膨脹破壞，試驗(yàn)區(qū)域頂板20 m范圍內(nèi)圍巖結(jié)構(gòu)完整性遭到破壞。

2.4 壓裂試驗(yàn)壓力與時(shí)間關(guān)系

在試驗(yàn)區(qū)域上覆巖層中注水，破壞上覆巖體整體結(jié)構(gòu)。圖5為安裝水壓儀監(jiān)測(cè)壓裂壓力—時(shí)間變化關(guān)系圖。由圖5可知：①當(dāng)壓裂試驗(yàn)壓力達(dá)到一定數(shù)值后，煤巖體便逐漸構(gòu)成新的裂隙或原裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，當(dāng)試驗(yàn)區(qū)域受壓產(chǎn)生的縫隙延展后，壓裂產(chǎn)生的壓力出現(xiàn)先開始下降又迅速回升，壓力波動(dòng)較大。②每組試驗(yàn)時(shí)間基本控制為30 min，試驗(yàn)產(chǎn)生的壓力逐漸降低，表明試驗(yàn)區(qū)出現(xiàn)縫隙，再穩(wěn)定施壓20 min后，試驗(yàn)加壓產(chǎn)生的縫隙能夠延伸到相鄰試驗(yàn)孔范圍。③高壓水泵的加壓注水流量保持恒定，額定注水30 L/min，注水量每次2 m3，每個(gè)試驗(yàn)孔注水14次，每個(gè)試驗(yàn)孔的總注水量28 m3。

圖5 壓力-時(shí)間關(guān)系曲線

3 水壓致裂效果分析

以采空區(qū)頂板冒落情況作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)情況，運(yùn)輸巷水壓致裂后的采空區(qū)頂板冒落情況良好，較為密實(shí)，無懸頂情況發(fā)生?；仫L(fēng)巷施工水壓預(yù)裂鉆孔后，采空區(qū)頂板冒落情況較施工前明顯改善，懸頂面積明顯減小。在工程現(xiàn)場(chǎng)，針對(duì)采空區(qū)局部懸頂，可采取提高鉆孔封堵質(zhì)量，提高泵站注水致裂壓力；也可采取加強(qiáng)切頂排支柱或松動(dòng)爆破強(qiáng)制放頂?shù)染C合措施。水壓預(yù)裂采空區(qū)頂板冒落情況如圖6所示。

圖6 水壓預(yù)裂采空區(qū)頂板冒落情況

由圖7(a)(b)可知，經(jīng)過水力壓裂預(yù)處理堅(jiān)硬頂板后，綜采工作面支架工作阻力由5450 kN下降至3950 kN，降低了28%，說明采用水力壓裂預(yù)處理堅(jiān)硬頂板效果良好，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)；經(jīng)過水力壓裂預(yù)處理堅(jiān)硬頂板后，綜采工作面周期來壓步距由35.0 m減小到25.4 m，遠(yuǎn)小于未處理時(shí)周期來壓步距。

圖7 水壓預(yù)裂前后采場(chǎng)數(shù)據(jù)比對(duì)

4 結(jié)論

(1) 通過分析水力壓裂機(jī)理，設(shè)計(jì)水力壓裂鉆孔參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果表明，運(yùn)輸巷水壓致裂后的采空區(qū)頂板冒落情況良好，較為密實(shí)，無懸頂情況發(fā)生；回風(fēng)巷施工水壓預(yù)裂鉆孔后，采空區(qū)頂板冒落情況明顯改善，懸頂面積明顯減小。

(2) 綜采工作面水力壓裂預(yù)處理堅(jiān)硬頂板后，工作面支架最大工作阻力由5450 kN下降至 3950 kN，降低了28%；同時(shí)工作面周期來壓步距大幅降低，由35.0 m減小到25.4 m，遠(yuǎn)小于未采取致裂措施前的步距，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。