王 冰，王東杰，呂大釗

(陜西彬長孟村礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713600)

0 引言

近年來，沖擊地壓災(zāi)害日益嚴(yán)重，沖擊發(fā)生強(qiáng)度和頻度顯著增加，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，嚴(yán)重制約煤炭安全開采[1-3]。在我國沖擊地壓煤層開采實(shí)踐過程中，為防止沖擊地壓的發(fā)生，在采掘生產(chǎn)過程中在井下采取頂板深孔爆破、頂板定向水力壓裂、煤層爆破卸壓、煤層大孔徑卸壓、煤層高壓注水、斷底爆破、底板切槽等局部卸壓措施，劣化應(yīng)力集中區(qū)煤巖體力學(xué)性質(zhì)，人為調(diào)整巷道圍巖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征，使得高集中應(yīng)力向巷道深部圍巖轉(zhuǎn)移，從而使得巷道圍巖處于低應(yīng)力環(huán)境[4-6]。采取以上措施雖然取得了一定的效果，但是卻沒有從根本上改變采場(chǎng)的應(yīng)力環(huán)境，沖擊地壓事故仍時(shí)有發(fā)生[7-9]。為此，陜西彬長孟村煤礦率先在401102工作面應(yīng)用全空間立體防控沖擊地壓技術(shù)，即地面采用L型水平井區(qū)域壓裂，井下采用頂板深孔爆破、煤層大孔徑卸壓等技術(shù)措施。

1 全空間立體防控沖擊地壓技術(shù)的提出

1.1 工程背景

彬長礦區(qū)目前主采侏羅系4號(hào)特厚煤層，煤層厚度18～26 m，煤層埋深620～910 m，覆巖賦存多層堅(jiān)硬砂巖，抗壓強(qiáng)度在60～120 MPa。采用走向長壁分層綜合機(jī)械化放頂煤開采方法，正常割煤高度3.5 m，放煤高度平均10.5 m，采放比為1∶3，全部垮落法管理頂板。因煤層一次開采厚度大，覆巖破斷運(yùn)移范圍廣，4號(hào)煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性，頂板巖具有弱沖擊傾向性，受動(dòng)靜載疊加影響極易發(fā)生沖擊地壓。

為探明覆巖運(yùn)移規(guī)律及沖擊地壓顯現(xiàn)機(jī)理，綜合大量現(xiàn)場(chǎng)原位實(shí)測(cè)、相似模擬、理論分析等研究發(fā)現(xiàn)，4號(hào)煤層上方150 m以內(nèi)存在3組關(guān)鍵層，如圖1所示。高位關(guān)鍵層為距離煤層上方約140 m的宜君組礫巖層，厚度30 m左右，鈣質(zhì)膠結(jié)；中位關(guān)鍵層為距離煤層上方約60 m的安定組含礫砂巖層，厚度40 m左右；低位關(guān)鍵層為距離煤層上方約10 m的延安組合層砂巖，厚度15 m左右。低位關(guān)鍵層在工作面回采過程中能夠及時(shí)垮落，其沖擊致災(zāi)影響程度降低；中位關(guān)鍵層出現(xiàn)明顯的滯后垮落情況，其沖擊致災(zāi)影響程度將大幅升高。因此，認(rèn)為中位關(guān)鍵層對(duì)工作面沖擊地壓的致災(zāi)影響程度最大。

圖1 4號(hào)煤層上覆關(guān)鍵層識(shí)別示意

1.2 全空間立體防控沖擊地壓技術(shù)思路

通過對(duì)國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的閱讀和研究發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)外井下普遍采取以頂板深孔爆破、頂板定向水力壓裂、煤層爆破卸壓、煤層大孔徑卸壓等方式防治沖擊地壓[10-12]。受井下裝備、技術(shù)及施工條件限制，以上措施僅能弱化處理煤層上覆頂板50 m范圍內(nèi)的堅(jiān)硬巖層，對(duì)于50 m以上的高位堅(jiān)硬巖層束手無策。地面L型水平井區(qū)域壓裂技術(shù)是油氣田開發(fā)過程中普遍使用的一種增產(chǎn)技術(shù)，其作用機(jī)理是將壓裂液通過液壓泵泵入儲(chǔ)層，使得在目標(biāo)層內(nèi)形成具有一定幾何尺寸和導(dǎo)流能力的人工增透裂縫，從而提高抽采效率。借鑒該技術(shù)思路，提出了全空間立體防控沖擊地壓技術(shù)，通過地面壓裂對(duì)中位關(guān)鍵層堅(jiān)硬頂板實(shí)施壓裂改造，井下頂板深孔預(yù)裂爆破對(duì)低位關(guān)鍵層堅(jiān)硬頂板進(jìn)行處理，降低巖層的整體性及其破斷強(qiáng)度；同時(shí)結(jié)合煤層大直徑鉆孔卸壓，達(dá)到防控沖擊地壓的目的。地面壓裂堅(jiān)硬頂板示意如圖2所示。

圖2 地面壓裂堅(jiān)硬頂板示意

2 全空間立體防控沖擊地壓技術(shù)

2.1 地面L型水平井區(qū)域壓裂

地面L型水平井壓裂是在采前對(duì)中位關(guān)鍵層堅(jiān)硬頂板進(jìn)行的大范圍改性卸壓。通過對(duì)目標(biāo)巖層提前進(jìn)行壓裂，使完整性好的目標(biāo)巖層內(nèi)形成數(shù)量眾多，方位和長度不一的網(wǎng)狀裂縫，在采動(dòng)應(yīng)力作用下，裂縫面周圍弱面進(jìn)一步發(fā)育擴(kuò)展，弱化了巖層的強(qiáng)度及其破斷失穩(wěn)的能量釋放級(jí)別，從而達(dá)到控制中位關(guān)鍵層堅(jiān)硬頂板的目標(biāo)。參考401盤區(qū)M2-1、M3-2、M4-1等鉆孔資料，距離煤層頂板54～72 m，平均64 m范圍內(nèi)有一層含礫中粗砂巖，厚度20 m左右；該區(qū)域含礫中粗砂巖不易斷裂，是形成堅(jiān)硬頂板的主要巖層，所以水平段目標(biāo)層為煤層上覆堅(jiān)硬含礫中粗砂巖(安定組下段)。

設(shè)計(jì)在401102工作面東側(cè)布置1號(hào)水平井，目標(biāo)組為安定組下段含礫砂巖層，總井深1 597 m；一開進(jìn)尺220 m，二開進(jìn)尺607 m，三開水平段進(jìn)尺770 m。西側(cè)布置2號(hào)水平井，目標(biāo)組為安定組下段含礫砂巖層，總井深1 683 m；一開進(jìn)尺170 m，二開進(jìn)尺623 m，三開水平段進(jìn)尺770 m。裂縫段間距設(shè)計(jì)為40～60 m，以穿透安定組底部含礫中粗砂巖為改造目標(biāo)，縫高作為關(guān)注重點(diǎn)因素，根據(jù)安定組發(fā)育厚度，上下縫高總和控制在30 m左右比較合理；縫長約為100～150 m，縫寬0.3～0.6 mm。地面L型水平井布置位置如圖3所示。

圖3 地面L型水平井平面布置示意

兩口井壓裂期間，地面微地震系統(tǒng)累計(jì)開展進(jìn)行了31段監(jiān)測(cè)，單段縫長81～340 m，平均縫長268 m；帶寬42～203 m，平均帶寬80 m；縫高37～59 m，平均縫高50 m；累計(jì)監(jiān)測(cè)事件9 250起，單段監(jiān)測(cè)事件46～454起，單段微震事件數(shù)平均289起，單段壓裂平均造縫面積為15 287 m2。從圖4可以看出，除切眼前方0～155 m和960～1 024 m，共計(jì)約220 m范圍外，人工裂縫沿401102工作面走向方向基本上實(shí)現(xiàn)了全覆蓋。

圖4 地面微震系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的裂縫擴(kuò)展結(jié)果

2.2 頂板深孔預(yù)裂爆破

深孔爆破技術(shù)基于爆炸產(chǎn)生的爆轟波，在堅(jiān)硬巖層內(nèi)形成破碎區(qū)和裂隙區(qū)，弱化了堅(jiān)硬巖層的物理力學(xué)特性及破斷強(qiáng)度；在采動(dòng)應(yīng)力的進(jìn)一步影響和作用下，裂隙擴(kuò)展發(fā)育，堅(jiān)硬巖層強(qiáng)度降低，易于發(fā)生破斷失穩(wěn)，從而達(dá)到控制堅(jiān)硬頂板的目的。4號(hào)煤層上方30 m范圍內(nèi)存在20 m合層砂巖，設(shè)計(jì)在401102工作面兩順槽實(shí)施頂板深孔預(yù)裂爆破。每個(gè)鉆場(chǎng)實(shí)施2個(gè)鉆孔，方位角分別為0°、180°，仰角為75°，炮孔間距10 m，炮孔直徑75 mm，裝藥量62.7 kg，裝藥長度20 m，封孔長15 m。采用φ60 mm被筒炸藥，每卷炸藥長度350 mm，重量1.1 kg/卷。頂板預(yù)裂爆破鉆孔布置情況如圖5所示。

圖5 頂板預(yù)裂爆破鉆孔布置示意

2.3 煤層大孔徑卸壓

鉆孔卸壓的原理就是在煤體的應(yīng)力集中或潛在應(yīng)力集中區(qū)施工一系列的大直徑鉆孔，產(chǎn)生自由空間，改變煤體的應(yīng)力分布，使煤體-圍巖系統(tǒng)聚集的彈性能得到緩慢釋放，并將應(yīng)力峰值向圍巖深部轉(zhuǎn)移，降低應(yīng)力集中程度，達(dá)到防治沖擊地壓效果的一種卸壓方法。設(shè)計(jì)在工作面兩順槽兩幫和兩底角施工大孔徑卸壓鉆孔。兩幫鉆孔直徑153 mm，傾角0°～3°，深度25 m，間距0.7 m，鉆孔距巷道底板高度1.5 m。兩底角鉆孔直徑153 mm，傾角-45°，深度10 m，間距0.7 m。煤層大孔徑卸壓鉆孔布置如圖6所示。

圖6 煤層大孔徑卸壓鉆孔布置示意

3 防控沖擊地壓效果分析

401102工作面于2021年10月3日開始回采，2021年11月18日，工作面回采至110 m采位附近，進(jìn)入壓裂裂縫擴(kuò)展區(qū)域。對(duì)401102工作面在壓裂裂縫擴(kuò)展區(qū)域開采期間微震、地音、支架工作阻力及巷道變形規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，并與地質(zhì)條件相似的401101工組面進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 基于支架壓力監(jiān)測(cè)的防沖卸壓效果對(duì)比

對(duì)比401101工作面和401102工作面的支架壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，401102工作面較401101工作面來壓步距縮短了5.6 m，來壓強(qiáng)度相比401101工作面的43～45 MPa降低至40～42 MPa，支架壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比見表1。401101工作面周期來壓步距為34.3 m，401102工作面僅在未壓裂區(qū)域出現(xiàn)5次周期來壓，周期來壓步距22.5 m，進(jìn)入壓裂區(qū)域后工作面再無明顯周期來壓。

表1 支架壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

地面壓裂大幅降低了工作面的應(yīng)力集中，工作面不再出現(xiàn)明顯周期性來壓。分析其原因?yàn)椋磯毫褏^(qū)受低位關(guān)鍵層控制的煤層上方60 m范圍內(nèi)的頂板能夠充分垮落，但不足以充填采空區(qū)，導(dǎo)致受中位關(guān)鍵層(安定組)控制的60～140 m范圍內(nèi)的巖層仍可形成大面積懸頂和周期垮落現(xiàn)象，造成工作面中部呈現(xiàn)周期性來壓現(xiàn)象；進(jìn)入地面壓裂區(qū)域后，壓裂裂縫能夠貫穿直羅組和安定組下部巖層，使中位關(guān)鍵層無法形成承載結(jié)構(gòu)，受其控制的60～140 m范圍內(nèi)巖層也能充分垮落，此時(shí)采空區(qū)垮落較為充分，距離煤層上方140 m的高位關(guān)鍵層(宜君組)呈現(xiàn)緩慢彎曲下沉的拱形結(jié)構(gòu)，能對(duì)其上方巖層起到較好的承載作用，壓裂前后采場(chǎng)來壓結(jié)構(gòu)如圖7所示。此時(shí)，工作面液壓支架的工作阻力主要來自高位空間層以下的破碎巖體在自重應(yīng)力作用下的“給定載荷”狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，支架表現(xiàn)為壓力低、來壓不明顯的特征。同時(shí)也說明地面壓裂對(duì)目標(biāo)巖層起到了很好的卸壓效果，對(duì)沖擊地壓及礦震都有明顯的降低作用。

圖7 壓裂前后采場(chǎng)來壓結(jié)構(gòu)示意

3.2 基于微震監(jiān)測(cè)的防沖卸壓效果對(duì)比

從微震空間分布結(jié)果可以看出，401101工作面微震事件大多聚集靠近煤層中央大巷側(cè)的運(yùn)輸巷，呈趨向性分布；401102工作面基本均勻分布在工作面前后120 m范圍內(nèi)，且傾向上分布也比401101工作面均勻，說明采用頂板爆破預(yù)裂措施可以降低由于局部應(yīng)力集中帶來的沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)比401101工作面和401102工作面回采前3個(gè)月的微震事件能量等級(jí)和頻次都明顯降低，如圖8所示。可以推斷，全空間立體防控沖擊地壓技術(shù)使上覆巖層提前弱化破斷，有效避免了因?yàn)轫敯迤茢喈a(chǎn)生的大能量微震事件，有利于工作面的沖擊地壓防治。

圖8 微震監(jiān)測(cè)事件投影

3.3 基于地音監(jiān)測(cè)的防沖卸壓效果對(duì)比

統(tǒng)計(jì)分析401102工作面初采期間各區(qū)的地音活動(dòng)參數(shù)，見表2。延米地音釋放能量及頻次從高低依次為初次來壓影響區(qū)且非地面壓裂影響區(qū)的>“單面見方”影響區(qū)且地面壓裂影響區(qū)>非地面壓裂影響區(qū)且非頂板活動(dòng)異常區(qū)?？梢钥闯?，地面壓裂區(qū)域相對(duì)于非壓裂區(qū)域初次來壓期間的微破裂活動(dòng)有所減弱。

表2 401102工作面初采期間地音監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3.4 基于應(yīng)力監(jiān)測(cè)的防沖卸壓效果對(duì)比

根據(jù)401102工作面回采期間運(yùn)輸巷及回風(fēng)巷回采幫應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，煤體所受垂直應(yīng)力整體偏小，除個(gè)別測(cè)點(diǎn)壓力值達(dá)到8 MPa以外，其余測(cè)點(diǎn)均未超過7 MPa；從24 h應(yīng)力增量來看，變化幅度小，均不大于0.5 MPa。工作面回采并沒有使煤體應(yīng)力達(dá)到較高的沖擊危險(xiǎn)等級(jí)，可見在煤層卸壓和頂板預(yù)裂的作用下，其頂板活動(dòng)強(qiáng)度大幅減小。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)當(dāng)前煤礦沖擊地壓防治受井下控制范圍小、效果有限的問題，提出一種通過全空間立體防控沖擊地壓技術(shù)控制沖擊地壓的方法，通過地面壓裂對(duì)中位關(guān)鍵層堅(jiān)硬頂板實(shí)施壓裂改造，井下頂板深孔預(yù)裂爆破對(duì)低位關(guān)鍵層堅(jiān)硬頂板進(jìn)行處理，大直徑鉆孔對(duì)煤層進(jìn)行卸壓，改善了超前巷道應(yīng)力環(huán)境，杜絕了1×104J以上微震能量事件，達(dá)到了大范圍、高效性控制沖擊地壓的目的。

(2)理論與實(shí)踐研究結(jié)果表明，地面水平井壓裂裂縫可完全覆蓋工作面采場(chǎng)區(qū)域，控制范圍大，壓裂效果好。與傳統(tǒng)井下堅(jiān)硬頂板壓裂技術(shù)相比，地面壓裂技術(shù)對(duì)生產(chǎn)干擾小，施工效率高，壓裂層位選取靈活，橫向、縱向裂縫拓展長度更遠(yuǎn)，壓裂效果大幅提升。

(3)地面壓裂技術(shù)對(duì)堅(jiān)硬巖層弱化改性，使得集中應(yīng)力和能量轉(zhuǎn)移釋放，從源頭上消除(減小)沖擊地壓危險(xiǎn)性，應(yīng)加大對(duì)地面壓裂技術(shù)在防治沖擊地壓和強(qiáng)礦壓災(zāi)害方面的推廣應(yīng)用。