付春陽(yáng)

(山西三元煤業(yè)股份有限公司 下霍煤礦，山西 長(zhǎng)治 047100)

三元中能煤業(yè)位于山西省長(zhǎng)子縣，開(kāi)采沁水煤田的3號(hào)煤層。該礦1308工作面初采期間，工作面兩側(cè)均為實(shí)體煤，且煤層埋藏較淺，頂板完整性較好，初次來(lái)壓步距接近60 m.由于回采巷道兩側(cè)為實(shí)體煤，巷道頂板未受二次采動(dòng)影響，同時(shí)由于巷道支護(hù)強(qiáng)度大，使頂板完整性進(jìn)一步提高，因此，在巷道進(jìn)入采空區(qū)后，端頭頂板難以及時(shí)垮落，造成較大范圍空頂。

水力壓裂作為經(jīng)濟(jì)有效的堅(jiān)硬難垮落頂板控制技術(shù)，已在國(guó)內(nèi)外推廣應(yīng)用，實(shí)踐證明是成功有效的。水力壓裂可有效弱化堅(jiān)硬頂板、破壞其完整性，削弱頂板的強(qiáng)度和整體性，使采空區(qū)頂板能夠分層分次垮落，縮短初次來(lái)壓和周期來(lái)壓步距，達(dá)到減小或消除堅(jiān)硬頂板對(duì)工作面回采危害的目的[1]。

基于以上背景，擬對(duì)1308工作面回風(fēng)巷實(shí)施水力壓裂頂板弱化試驗(yàn)研究，以期得到工作面端頭頂板管理方法，提升礦井工作面頂板管理水平。

1 工作面概況

1.1 工作面基本參數(shù)

1308回采工作面布置在一采區(qū)3號(hào)煤層中，東臨井田邊界保護(hù)煤柱，西距1303工作面采空區(qū)124.1 m，北面為北張村煤柱邊界。煤層埋藏深度平均305 m，平均厚度為5.49 m。工作面位置如圖1所示。

圖1 1308工作面位置示意

1308工作面回風(fēng)巷長(zhǎng)度為734.2 m，工作面長(zhǎng)250 m，可采長(zhǎng)度618.8 m，可采面積154 700 m2.

1.2 煤層賦存條件

1308工作面隸屬3號(hào)煤層，距煤層底板0.6 m處有1層較為穩(wěn)定的夾矸，其厚度為0.15～0.4 m，平均0.28 m，巖性為泥巖或炭質(zhì)泥巖。煤層頂板為砂質(zhì)泥巖、泥巖或粉砂巖，局部為不同粒級(jí)的砂巖；底板為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、泥巖，局部為細(xì)粒砂巖。煤層厚度穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

1.3 巷道布置方式及支護(hù)參數(shù)

本工作面風(fēng)、運(yùn)兩巷均沿頂板掘進(jìn)，沿傾向布置，運(yùn)巷長(zhǎng)698.8 m，風(fēng)巷長(zhǎng)734.2 m；切眼長(zhǎng)252.2 m，沿走向布置，工作面標(biāo)高為682～747 m.運(yùn)巷為錨網(wǎng)——錨索聯(lián)合支護(hù)，斷面呈矩形，寬×高=5.2 m×3.6 m(凈尺)，頂板錨桿間排距為900 mm×1 000 mm，錨索間排距為1 500 mm×1 000 mm，風(fēng)巷為錨網(wǎng)——錨索聯(lián)合支護(hù)，斷面呈矩形，寬×高=5.0 m×3.3 m(凈尺)，頂板錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm，錨索間排距為1 500 mm×1 000 mm.

2 1308回風(fēng)巷水壓致裂方案研究

2.1 水壓致裂工藝參數(shù)確定

考慮到水壓致裂技術(shù)沒(méi)有在三元中能煤礦的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，出于安全性考慮，第一次試驗(yàn)方案制定較為保守，具體方案如下：

1) 水力壓裂鉆孔布置。高壓注水泵位于1308工作面回風(fēng)巷內(nèi)，高壓膠管共200 m，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)巷道鉆孔的水壓致裂。水壓致裂孔布置如圖2所示。鉆孔每組1個(gè)孔，鉆孔貼近外幫打設(shè)，開(kāi)孔位置距上隅角側(cè)煤壁1 000 mm位置，鉆孔仰角均為45°，沿工作面推進(jìn)反方向打設(shè)，鉆孔深度40 m.孔距10 m，孔徑65 mm.

2) 水壓致裂參數(shù)確定。由于水壓致裂工作在巷道超前完成，為了保證巷道頂板安全，初期壓裂參數(shù)較為保守，每個(gè)鉆孔壓裂6～7次，每段壓裂3 m，壓力達(dá)到12～20 MPa，孔底1 m不壓裂，壓裂距離18～40 m，致裂高度為13～28 m.

3) 鉆孔施工量。根據(jù)1308工作面回采情況，回風(fēng)巷水壓致裂鉆孔共施工鉆孔50組，命名為A1～A50，總施工量2 000 m.施工時(shí)間為2019年6月28日—8月12日。

2.2 參數(shù)優(yōu)化方案

由于前幾組水壓致裂施工后，端頭進(jìn)入致裂段后，端頭懸頂范圍依然較大，在分析原因及超前巷道變形量觀(guān)測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)水壓致裂方案進(jìn)行優(yōu)化，分別進(jìn)行了3次調(diào)整：

1) 第一次參數(shù)調(diào)整：由于A(yíng)孔施工初期，考慮到盡可能保證超前巷道頂板安全，A5～A20鉆孔壓裂次數(shù)控制在6～7次，鉆孔致裂范圍為距孔底18～40 m，致裂高度為巷道頂板上方13～28 m位置，由于致裂高度過(guò)高，造成回風(fēng)巷端頭大范圍懸頂。7月8日，對(duì)施工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，保證每個(gè)A鉆孔致裂次數(shù)10次，致裂深度距孔底12～40 m，致裂高度巷道頂板上方8.5～28 m，并對(duì)A11孔～A20孔進(jìn)行補(bǔ)壓，端頭垮落效果得到改善。

2) 第二次參數(shù)調(diào)整：7月17日A4孔剛進(jìn)入采空區(qū)，受壓裂次數(shù)較少及退錨方式影響，端頭出現(xiàn)較大懸頂，為保證A4～A10孔影響范圍內(nèi)端頭頂板的垮落效果，再次對(duì)施工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，7月18日在工作面超前支護(hù)段外補(bǔ)打B孔，孔深40 m，角度30°，間距10 m，致裂次數(shù)9次，鉆孔致裂范圍為距孔底，15～40 m，致裂高度7.5～20 m，7月23日B孔致裂影響區(qū)進(jìn)入采空區(qū)，端頭頂板隨采隨垮，效果明顯。

3) 第三次參數(shù)調(diào)整：8月中旬，端頭頂板懸頂面積增大，主要位于靠近外幫0.5～1 m范圍頂板未能及時(shí)垮落，長(zhǎng)度接近20 m，對(duì)原致裂方案進(jìn)行調(diào)整，在超前支護(hù)段外補(bǔ)打2個(gè)B孔和20個(gè)C孔，C孔位于外幫與頂板肩窩處，深度2 m，角度60°，間距2 m.當(dāng)端頭垮落效果不好時(shí)，對(duì)位于工作面超前的C孔進(jìn)行補(bǔ)壓，以提高對(duì)端頭三角區(qū)頂板的治理效果。

B孔及C孔參數(shù)如圖3所示。

3 定向水壓致裂效果分析

為了分析水壓致裂對(duì)端頭頂板的預(yù)裂效果以及超前水壓致裂對(duì)巷道頂板的破壞情況，分別對(duì)端頭懸頂范圍統(tǒng)計(jì)、頂板裂隙發(fā)育鉆孔窺視觀(guān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析[2]。

3.1 端頭懸頂范圍分析

1308回風(fēng)巷頂板跨落通過(guò)水力壓裂切頂技術(shù)施工后，采空區(qū)頂板跨落已經(jīng)形成較為穩(wěn)定的周期跨落，初次跨落間距約為8～12 m，周期垮落間距為4～8 m，較工作面不采取措施的情況下大幅縮短，如表1所示。

表1 施工期間回風(fēng)巷采空區(qū)跨落情況

3.2 鉆孔窺視頂板裂隙發(fā)育特征研究

對(duì)水壓致裂前后頂板鉆孔的裂隙發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了鉆孔窺視試驗(yàn)，由窺視結(jié)果可以看出，致裂后，原鉆孔裂隙發(fā)生明顯的擴(kuò)展，并有大量新生裂隙產(chǎn)生，能夠有效破壞頂板完整性，有利于頂板的及時(shí)垮落。

4 結(jié) 語(yǔ)

此次在1308回風(fēng)巷的定向水壓致裂取得了較為明顯的效果，但由于受初期所布置的主孔A孔致裂高度過(guò)高、末采期間定期爆破強(qiáng)制放頂以及巷道高強(qiáng)度支護(hù)的影響，水壓致裂后端頭懸頂并未達(dá)到預(yù)期隨采隨冒的技術(shù)要求，需開(kāi)展進(jìn)一步研究工作及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作，得出端頭頂板的垮落規(guī)律及最優(yōu)致裂參數(shù)，實(shí)現(xiàn)三元中能煤業(yè)工作面端頭懸頂問(wèn)題的根本治理。

1) 由于水壓致裂技術(shù)尚未在三元中能煤業(yè)使用，沒(méi)有可供參考的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，因此需針對(duì)1308工作面現(xiàn)場(chǎng)條件，首次水壓致裂方案較為保守，每10 m布置1個(gè)40 m深鉆孔，致裂高度為13～28 m，施工至7月中旬時(shí)，端頭頂板垮落效果不好，對(duì)水壓致裂方案進(jìn)行了優(yōu)化，在兩個(gè)A孔之間補(bǔ)打B孔，并對(duì)A孔進(jìn)行補(bǔ)壓，改善了端頭頂板的垮落效果。

2) 8月中旬回風(fēng)巷端頭懸頂面積擴(kuò)大，對(duì)方案進(jìn)行了二次優(yōu)化，在原有A孔的基礎(chǔ)上補(bǔ)打了10個(gè)A補(bǔ)孔和18個(gè)C孔，獲得最優(yōu)的致裂方案。

3) 根據(jù)水壓致裂后現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)情況可知，端頭頂板垮落具有一定的周期性，垮落步距約為4～8 m，與1308運(yùn)輸巷相比，端頭懸頂面積明顯降低，有助于礦井安全風(fēng)險(xiǎn)的降低和頂板管理水平的提升。