李紅平，杜濤濤，孫秉成，楊 偉，常 博，趙志鵬，賈兵兵，劉 江

(1.國(guó)能新疆寬溝礦業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 830000；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；4.國(guó)家能源集團(tuán)新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

目前弱化堅(jiān)硬頂板的方法，普遍采用爆破斷頂[1]和水力壓裂。但爆破方法對(duì)生產(chǎn)干擾大，且存在氣體超限等安全管控難題，風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)水力壓裂更高；水力壓裂技術(shù)作為堅(jiān)硬頂板弱化、圍巖卸壓的有效方法，在采煤工作面巖層控制、高應(yīng)力與及沖擊地壓防治中得到廣泛的應(yīng)用[2-4]。磨砂射流軸向切頂技術(shù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐研究[5-7]，進(jìn)一步發(fā)展了水力壓裂技術(shù)與工藝，通過(guò)割縫導(dǎo)向控制，壓裂過(guò)程沿割縫方向定向切頂，并在沖擊地壓礦井得到大量實(shí)踐，起到良好的防沖效果。

堅(jiān)硬頂板是沖擊地壓的主要致災(zāi)因素[8-11]，寬溝煤礦長(zhǎng)期以來(lái)受堅(jiān)硬頂板影響，以往主要采用超前深孔預(yù)裂爆破工藝處理堅(jiān)硬頂板防治沖擊地壓[12-15]。但爆破作業(yè)易產(chǎn)生有毒有害氣體，造成氣體管控困難，基于此，引進(jìn)了堅(jiān)硬頂板磨砂射流軸向切頂技術(shù)與工藝，通過(guò)水力割縫壓裂處理堅(jiān)硬頂板[16-18]，為寬溝煤礦堅(jiān)硬頂板處理與沖擊地壓防治提供了一種新工藝模式。開展了磨砂射流軸向切頂關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的確定，基于此，應(yīng)用該技術(shù)在I010206工作面擴(kuò)面時(shí)開展了初次放頂工程實(shí)踐，實(shí)施過(guò)程利用水壓儀監(jiān)測(cè)、鉆孔窺視及出水觀測(cè)方法，完善了過(guò)程管控技術(shù)[19-21]；回采過(guò)程利用垮冒頂板現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)[22]、支架壓力監(jiān)測(cè)和煤體應(yīng)力實(shí)測(cè)[23]方法進(jìn)行了效果檢驗(yàn)，揭示了堅(jiān)硬頂板磨砂射流軸向切頂技術(shù)在進(jìn)行堅(jiān)硬頂板能夠達(dá)到初放處理效果，加快了寬溝煤礦磨砂射流軸向切頂技術(shù)應(yīng)用推廣進(jìn)程，為全面應(yīng)用于寬溝煤礦堅(jiān)硬頂板沖擊地壓防治實(shí)踐奠定了基礎(chǔ)。

1 工程背景

寬溝煤礦I010206工作面為不規(guī)則工作面，開采B2煤層，厚度為8.62～20.84 m，平均厚度為10.5 m，屬特厚煤層，擴(kuò)面前傾斜長(zhǎng)度85 m，擴(kuò)面后傾斜長(zhǎng)度137.8 m，可采走向長(zhǎng)度1672 m，工作面平均傾角14°，平均埋深434 m。工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤開采工藝，采煤厚度3.2 m，放煤厚度7.3 m，采放比約1∶2.3。I010206工作面布置如圖1所示。

根據(jù)寬溝煤礦鉆孔資料分析，煤層上方50 m范圍內(nèi)具有多層砂巖頂板，存在13.59 m厚的中粒砂巖和12.51 m厚的細(xì)粒砂巖，其中13.59 m中粒砂巖為亞關(guān)鍵層，頂板巖性見表1。

表1 頂板巖性

2 磨砂射流軸向切頂技術(shù)與參數(shù)確定

2.1 磨砂水射流軸向切頂技術(shù)與工藝

堅(jiān)硬頂板磨砂射流軸向切頂技術(shù)是在頂板孔壁上形成300～500 mm深的初始裂縫，沿著割縫方向進(jìn)行壓裂，使堅(jiān)硬頂板內(nèi)形成以軸向裂縫為主的裂縫網(wǎng)，形成沿走向或傾向的叢集裂縫網(wǎng)，定向切斷頂板的一項(xiàng)技術(shù)。

堅(jiān)硬頂板磨砂射流軸向割縫壓裂技術(shù)的施工工藝主要包含“鉆孔-割縫-壓裂”三個(gè)環(huán)節(jié)：首先采用鉆機(jī)、配套鉆頭及鉆桿，在巷道頂板中施工一定孔徑的鉆孔。將封孔器和磨砂射流器接好后送至鉆孔預(yù)設(shè)位置，開啟水射流系統(tǒng)并將其切換至射流模式，此時(shí)，從射流器兩側(cè)的噴嘴中噴射出帶有磨料砂的高壓水，操作鉆機(jī)勻速后退鉆桿，可以使鉆孔兩側(cè)形成一定長(zhǎng)度和深度的初始裂縫。關(guān)閉磨料泵，并將高壓泵調(diào)至封孔模式，往封孔器中注入高壓水使裂縫上下兩段封孔器的坐封。將高壓泵切換至壓裂模式，此時(shí)從射流器前端出水孔持續(xù)向封孔段注入高壓水，初始裂縫沿著裂縫尖端持續(xù)擴(kuò)展，待泵壓突然下降后或壓裂時(shí)間達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)間時(shí)關(guān)閉高壓泵，將封孔器卸壓，完成該分段的壓裂工作。開啟鉆機(jī)、操作鉆桿使射流器移動(dòng)至下一割縫位置，按上述方法施工下一分段的施工。

2.2 磨砂射流軸向切頂割縫參數(shù)確定

2.2.1 割縫試驗(yàn)方案

在I010206回風(fēng)巷超前工作面300 m位置，避開采動(dòng)影響，通過(guò)B孔向A孔方向進(jìn)行割縫，A孔為觀測(cè)孔，確定巖性、調(diào)整壓裂位置、效果檢驗(yàn)。確定割縫長(zhǎng)度300 mm、割縫半徑200 mm時(shí)，割縫壓力與割縫時(shí)間關(guān)系，割縫長(zhǎng)度指孔內(nèi)每個(gè)割縫分段的裂縫軸向長(zhǎng)度，割縫半徑指沿鉆孔徑向延展裂縫長(zhǎng)度。在B孔計(jì)劃分段向間距200 mm的A孔進(jìn)行割縫，割縫試驗(yàn)鉆孔布置如圖2所示，試驗(yàn)方案為：①割縫壓力40 MPa，記錄割通時(shí)間、用砂量，向下移動(dòng)割縫；②割縫壓力50 MPa，記錄割通時(shí)間、用砂量，向下移動(dòng)割縫。

圖2 割縫試驗(yàn)方案布置

2.2.2 割縫試驗(yàn)結(jié)果

從B孔深17 m位置，朝向間隔200 mm的A孔方向進(jìn)行割縫，注水泵給壓40 MPa，加砂量25 kg，割縫長(zhǎng)度300 mm，割縫時(shí)長(zhǎng)1.5 min，割通A、B孔間隔200 mm巖層，A孔出水。

從B孔深15 m位置，朝向間隔200 mm的A孔方向進(jìn)行割縫，注水泵給壓50 MPa，加砂量25 kg，割縫長(zhǎng)度300 mm，割縫時(shí)長(zhǎng)1 min，割通A、B孔間隔200 mm巖層，A孔出水。

通過(guò)試驗(yàn)確定了割縫半徑、割縫壓力、割縫時(shí)間、石榴砂用量等主要參數(shù)見表2。

2.3 磨砂射流軸向切頂壓裂參數(shù)確定

2.3.1 試驗(yàn)方案

裂試驗(yàn)方案布置方案如圖3所示，壓裂試驗(yàn)布置4個(gè)鉆孔，其中2個(gè)觀測(cè)孔，2個(gè)割縫、壓裂孔。利用確定的磨砂割縫參數(shù)，進(jìn)一步開展磨砂射流后的壓裂試驗(yàn)研究，確定壓裂半徑及其壓裂參數(shù)。

圖3 壓裂試驗(yàn)方案布置

1)方案一：割縫方向：F→E，割縫半徑200 mm，割縫長(zhǎng)300 mm、用砂量25 kg，壓裂壓力50 MPa，確定5 m壓裂半徑的可行性。

2)方案二：割縫方向：F→E，割縫半徑200 mm，割縫長(zhǎng)300 mm、用砂量25 kg，壓裂壓力60 MPa，確定5 m壓裂半徑的可行性。

3)方案三：割縫方向：I→H，割縫半徑200 mm，割縫長(zhǎng)300 mm、用砂量25 kg，壓裂壓力60 MPa，確定10 m壓裂半徑的可行性。

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果

按照試驗(yàn)方案，開展了F孔2個(gè)分段5 m的壓裂半徑參數(shù)試驗(yàn)研究，成功完成了2段5 m的壓裂半徑，確定了割縫參數(shù)：割縫長(zhǎng)度300 mm，割縫半徑200 mm，割縫壓力40～55 MPa，割縫時(shí)間1～1.5 min；壓裂參數(shù)：起裂壓力50～55 MPa，壓裂時(shí)間10～12 min，壓裂半徑5 m；開展了I孔4次分段10 m壓裂半徑參數(shù)試驗(yàn)研究，成功完成了3次10 m的壓裂半徑，確定了割縫參數(shù)：割縫長(zhǎng)度300 mm，割縫半徑200 mm，割縫壓力40～55 MPa，割縫時(shí)間1～1.5 min；壓裂參數(shù)：起裂壓力55～60 MPa，壓裂時(shí)間10～20 min，壓裂半徑10 m，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 壓裂試驗(yàn)結(jié)果

綜上，通過(guò)工業(yè)性試驗(yàn)研究，確定了磨砂射流軸向切頂割縫和壓裂的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，為確保參數(shù)的普適性，又開展了補(bǔ)充試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了上述試驗(yàn)結(jié)果，篇幅限制，不再贅述。

3 擴(kuò)面區(qū)域初次切頂工程實(shí)踐

3.1 擴(kuò)面初次切頂參數(shù)設(shè)計(jì)

擴(kuò)面開切巷長(zhǎng)度為53 m，設(shè)計(jì)6個(gè)磨砂射流切頂孔，間距9 m，孔深30 m，孔內(nèi)分段割縫壓裂間距4 m，分別在孔深22 m、18 m、14 m、10 m進(jìn)行4段割縫和壓裂，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)確定結(jié)果，設(shè)計(jì)割縫參數(shù)：割縫壓力50～55 MPa，割縫時(shí)間3～5 min，砂量25 kg，割縫縫長(zhǎng)300～500 mm，割縫方向?yàn)锳方向、B方向；壓裂參數(shù)：壓裂壓力為50～65 MPa，壓裂時(shí)間15～20 min，具體方案如圖4所示。

圖4 擴(kuò)面開切巷磨砂射流走向切頂方案

3.2 實(shí)施過(guò)程

磨砂射流軸向切頂實(shí)施期間，利用水壓儀數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)割縫壓裂過(guò)程進(jìn)行控制，由于篇幅有限選取典型磨砂射流曲線進(jìn)行實(shí)施過(guò)程分析，通過(guò)水壓儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以明顯看出，共割縫3段，主要是由于頂煤厚度變化，第4段進(jìn)入煤層，未實(shí)施割縫直接進(jìn)行壓裂，為充分破壞頂煤，在第4段壓裂過(guò)程，實(shí)施了2次壓裂，第2段壓裂過(guò)程，首先進(jìn)行了30 MPa的試壓，判斷原生裂隙的影響，通過(guò)試驗(yàn)壓裂過(guò)程未通過(guò)原生裂隙出水，然后開始正常壓裂，起裂過(guò)程壓裂有明顯突降，按照壓裂時(shí)間控制，當(dāng)壓裂半徑10 m區(qū)域出水后，再延長(zhǎng)5 min進(jìn)行壓裂，進(jìn)一步擴(kuò)大裂縫擴(kuò)展范圍。壓裂過(guò)程觀測(cè)相鄰鉆孔是否出水，通過(guò)觀測(cè)擴(kuò)面開切巷壓裂期間均實(shí)現(xiàn)了相鄰孔的出水，擴(kuò)面開切巷壓裂完成后，在上順槽超前5 m的位置開展上順槽壓裂，發(fā)現(xiàn)整個(gè)工作面鉆孔的全部出水，表明實(shí)現(xiàn)了整個(gè)工作面裂縫的導(dǎo)通。綜上，I010206工作面實(shí)施過(guò)程，均實(shí)現(xiàn)了壓裂設(shè)計(jì)的要求，主要技術(shù)參數(shù)得到了充分驗(yàn)證和控制?，F(xiàn)場(chǎng)磨砂射流工程實(shí)施監(jiān)控結(jié)果如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)磨砂射流工程實(shí)施監(jiān)控

磨砂射流軸向切頂實(shí)施后，選擇了靠近上順槽的5#磨砂射流孔進(jìn)行鉆孔窺視，裂縫擴(kuò)展窺視結(jié)果如圖6所示，在第4段壓裂下方約4 m的位置出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，在推送鉆孔窺視探頭過(guò)程，在該位置出現(xiàn)卡住現(xiàn)象，為避免丟失窺視探頭，停止了進(jìn)一步觀測(cè)，為確定范圍分別在75號(hào)支架-81號(hào)支架范圍均出現(xiàn)類似現(xiàn)象，表明，通過(guò)磨砂射流軸向切頂后，縱向裂縫得到有效擴(kuò)展，局部破碎、空洞現(xiàn)象出現(xiàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了工程實(shí)施的有效性。

圖6 裂縫擴(kuò)展窺視結(jié)果

綜上，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格監(jiān)管和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與觀測(cè)，完成了磨砂射流軸向切頂技術(shù)在I010206工作面擴(kuò)面后的初次切頂工程應(yīng)用。

4 工程實(shí)踐效果

除上述磨砂射流軸向切頂工程實(shí)施過(guò)程的分析外，現(xiàn)場(chǎng)頂板垮冒是否及時(shí)、工作面壓力及煤體應(yīng)力演化過(guò)程，是綜合評(píng)價(jià)磨砂射流軸向切頂效果的有效方法，為此，開展了擴(kuò)面后現(xiàn)場(chǎng)頂板垮冒現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)素描、支架壓力數(shù)據(jù)、煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，從而進(jìn)行工程應(yīng)用效果分析。

4.1 頂板垮冒過(guò)程分析

B2煤層開采過(guò)程一直采取傳統(tǒng)爆破方式進(jìn)行初次放頂實(shí)踐，擴(kuò)面初放是首次將磨砂射流軸向切頂技術(shù)應(yīng)用于初次放頂中實(shí)踐，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)素描進(jìn)行兩種方法同期對(duì)比，對(duì)比布置如圖7所示，采用磨砂射流軸向切頂技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)面區(qū)域的初次放頂，除端頭頂板全部實(shí)現(xiàn)采空區(qū)充填滿，更有利于頂板垮冒演化發(fā)展，同期，采用爆破方法進(jìn)行初放，有4架區(qū)域未完全垮冒，通過(guò)頂板過(guò)程觀測(cè)分析對(duì)比，采用磨砂射流軸向切頂進(jìn)行頂板處理，達(dá)到了傳統(tǒng)爆破初放切頂?shù)男Ч?/p>

圖7 不同初次放頂方法同期對(duì)比

4.2 頂板壓力作用分析

巖層活動(dòng)強(qiáng)烈是造成初采期間沖擊危險(xiǎn)的主要原因，工作面支架壓力分布如圖8所示，工作面回采過(guò)程中，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)垮冒觀測(cè)表明能夠及時(shí)垮落，磨砂射流軸向切頂能夠有效弱化頂板完整堅(jiān)硬巖層，避免了大面積巖層垮落，較擴(kuò)面后的非磨砂射流區(qū)域，有效改善了液壓支架工況，因此磨砂射流軸向切頂區(qū)域頂板對(duì)工作面煤壁的作用得到明顯改善，實(shí)現(xiàn)了與傳統(tǒng)爆破初次放頂?shù)男Ч?，為礦井后期堅(jiān)硬頂板處理提供了有效新方法。

圖8 工作面支架壓力分布

4.3 煤體應(yīng)力集中分析

壓裂前后煤體應(yīng)力變化曲線如圖9所示，為擴(kuò)面后回風(fēng)巷超前工作面5 m位置實(shí)測(cè)煤體應(yīng)力曲線，磨砂射流軸向切頂后，煤體應(yīng)力集中得到快速響應(yīng)，煤體應(yīng)力發(fā)生了明顯的應(yīng)力降，達(dá)到2.9 MPa，擴(kuò)面回采期間，煤體應(yīng)力集中程度得到顯著改善，在采動(dòng)影響作用下，磨砂射流軸向切頂區(qū)域煤體應(yīng)力集中未再發(fā)生升高，起到了良好的煤體卸壓效果。

圖9 壓裂前后煤體應(yīng)力變化曲線

5 結(jié) 論

1)通過(guò)開展磨砂射流工業(yè)性試驗(yàn)及其補(bǔ)充試驗(yàn)，確定了磨砂射流割縫深度200 mm、長(zhǎng)度300 mm的割縫壓力為40～50 MPa，用砂量25 kg，割縫時(shí)間為1～1.5 min；采用確定割縫主要參數(shù)，實(shí)現(xiàn)壓裂半徑5 m時(shí)壓裂壓力為50～55 MPa，壓裂時(shí)間為10～12 min；實(shí)現(xiàn)壓裂半徑10 m時(shí)壓裂壓力為55～60 MPa，壓裂時(shí)間為20～24 min。

2)擴(kuò)面初放磨砂射流軸向切頂實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)工作面裂縫的導(dǎo)通，鉆孔窺視結(jié)果得到壓裂后巖層出現(xiàn)明顯的裂縫、甚至局部破碎情況，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的割縫、壓裂參數(shù)能夠滿足初放工程的需要。

3)通過(guò)回采過(guò)程多方法效果檢驗(yàn)表明，采取磨砂射流軸向切頂進(jìn)行初次放頂后，推采13.6 m后架后頂板基本垮冒充實(shí)采空區(qū)，較爆破初放預(yù)裂進(jìn)步距更短；明顯改善了頂板對(duì)工作面煤壁的作用，起到了同爆破同樣效果；擴(kuò)面后回采過(guò)程中煤體產(chǎn)生了2.9 MPa的應(yīng)力降，有效降低了頂板對(duì)工作面煤壁的作用強(qiáng)度，改善了采場(chǎng)應(yīng)力環(huán)境，為該技術(shù)在礦井堅(jiān)硬頂板處理全面推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。