薛虎溝煤業(yè)2-106A運(yùn)巷厚層堅(jiān)硬頂板應(yīng)力弱化技術(shù)研究

劉 凱

（霍州煤電集團(tuán)河津薛虎溝煤業(yè)有限責(zé)任公司 ，山西 河津 043300）

1 工程概況

霍州煤電薛虎溝煤業(yè)2-106A工作面回采2#煤層，工作面位于621水平，走向長(zhǎng)度為470m，傾斜長(zhǎng)度為230m，采用綜合機(jī)械化開采，全部垮落法管理頂板。2#煤層厚度為3.2～5.0m，均厚3.4m，煤層傾角為2°，普式硬度f=0.7。2#煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，均厚5.75m，普式硬度f=4～5，基本頂為灰白色中粒砂巖，均厚3.6m，普式硬度f=5～6，屬于堅(jiān)硬頂板，直接底為砂質(zhì)泥巖，均厚5.2m，老底為灰黑色粉砂巖，均厚為2.6m，2-106工作面具體位置如圖1所示。

圖1 2-106A工作面具體位置示意圖

2-106A工作面運(yùn)輸巷斷面形狀設(shè)計(jì)為梯形，巷道凈高為3420mm，上寬為3440m，下寬為4600mm，巷道沿2#煤層底板掘進(jìn)，巷道斷面為梯形，采用12#工字鋼棚支護(hù)，工字鋼棚梁長(zhǎng)度為3340m，棚腿長(zhǎng)度為3450m，棚距為600mm，柱窩深度為150mm。巷道支護(hù)斷面示意圖如圖2所示。

圖2 2-106A工作面運(yùn)輸巷支護(hù)斷面圖

2 巷道變形破壞分析

2.1 巷道破壞特征

根據(jù)觀察2-106A工作面運(yùn)輸巷具有以下幾點(diǎn)變形破壞特征：

1）在靜載作用下巷道圍巖的變形量大，根據(jù)地質(zhì)資料可知，2-106A工作面回采巷道受到埋深大的影響，在工作面未回采時(shí)，巷道圍巖即發(fā)生較為嚴(yán)重的彎曲變形，其中兩幫最大移近量為1000mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?60mm。

2）巷道在回采動(dòng)壓影響下出現(xiàn)沖擊大變形?；夭上锏涝诔凹皞?cè)向支承壓力的綜合作用下，使得巷道在原有變形破壞的基本上進(jìn)一步加劇，且工作面前方約30m的范圍內(nèi)，頂?shù)装遄冃瘟啃∮趦蓭妥冃瘟?，局部出現(xiàn)工字鋼棚壓彎的現(xiàn)象。

2.2 巷道破壞原因分析

通過對(duì)物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)合理論分析，得出導(dǎo)致2-106A工作面運(yùn)輸巷圍巖變形嚴(yán)重的原因。

1）巷道所受靜載荷較大，由試驗(yàn)結(jié)果知，2#煤層的平均抗壓強(qiáng)度為9.8MPa，計(jì)算出原巖應(yīng)力約為13MPa，以超過煤體的單軸抗壓強(qiáng)度，另外根據(jù)對(duì)礦區(qū)進(jìn)行地應(yīng)力的測(cè)試結(jié)果可知，最大水平主應(yīng)力為22.5MPa，最小水平主應(yīng)力為9.9MPa，垂直應(yīng)力為1.4MPa，根據(jù)上述數(shù)據(jù)能夠得出礦區(qū)水平構(gòu)造應(yīng)力較大，最小水平主應(yīng)力也超過了煤體的單軸抗壓強(qiáng)度，同樣會(huì)致使巷道頂板出現(xiàn)變形量大的現(xiàn)象。煤層及底板松軟、頂板堅(jiān)硬造成了巷道圍巖的大變形。

2）巷道堅(jiān)硬頂板破斷會(huì)造成動(dòng)荷載的沖擊影響，回采過程中，基本頂出現(xiàn)破斷后，巖層失穩(wěn)，工作面來壓，且來壓現(xiàn)象會(huì)隨著工作面的推進(jìn)呈現(xiàn)出周期性的變化[1-3]，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)能夠得知，基本頂?shù)闹芷趤韷翰骄酁?9m，根據(jù)巖梁的極限跨距L表達(dá)式：

式中：h為基本頂?shù)姆謱雍穸?，m；q為關(guān)鍵層承受上覆巖層的重量，kN；RT為極限抗拉強(qiáng)度，MPa。結(jié)合2-106A工作面上覆巖層情況能夠得出基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄酁?1.3m。

根據(jù)工作面取巖芯的結(jié)果能夠得出，工作面頂板存在5.75m厚的堅(jiān)硬砂質(zhì)泥巖及其5.6m的中粒砂巖，厚層直接頂彎曲變形過程中積聚了大量彈性能，當(dāng)能量積聚到巖體的極限強(qiáng)度后，堅(jiān)硬巖層便會(huì)出現(xiàn)破斷滑移現(xiàn)象，能量將大量釋放，從而形成強(qiáng)大的動(dòng)力源對(duì)巷道圍巖產(chǎn)生破壞[4-5]。根據(jù)對(duì)基本頂初次破斷及周期破斷進(jìn)行計(jì)算分析，得出初次破斷釋放的能力為3.2×109J，周期破斷釋放的能量為2.3×109J，通過分析頂板破斷產(chǎn)生的能量傳遞到工作面時(shí)受到基本頂破斷規(guī)律、工作面間距離及震源位置、煤巖體性質(zhì)及巖層弱面結(jié)構(gòu)等的影響[6]，故綜合考慮上述因素后，計(jì)算得出傳遞到工作面的能量為2.34×107J，且能夠得知初次垮落能量高，周期垮落能量為初次垮落能量的1/3左右。能量越高，則發(fā)生沖擊的可能性便越大，故2-106A工作面上覆厚層堅(jiān)硬頂板破斷引起的動(dòng)荷載沖擊是導(dǎo)致2-106A運(yùn)輸順槽圍巖變形破壞嚴(yán)重的主要原因。

3 水力壓裂堅(jiān)硬頂板技術(shù)

根據(jù)上述分析知薛虎溝煤業(yè)2-106A工作面運(yùn)輸巷堅(jiān)硬頂板破斷產(chǎn)生的沖擊能量造成巷道出現(xiàn)變形量大、難支護(hù)的問題。根據(jù)巷道現(xiàn)有條件，綜合考慮后采用水力致裂技術(shù)對(duì)2-106A工作面運(yùn)輸巷堅(jiān)硬頂板進(jìn)行弱化處理，以實(shí)現(xiàn)回采巷道的穩(wěn)定。

3.1 水力致裂工藝及原理

水力致裂技術(shù)所用到的設(shè)備主要包括：高壓泵、鉆機(jī)、封孔器、定向切槽刀具、高壓管、地質(zhì)鉆機(jī)及礦用本安型鉆孔窺視儀，上述設(shè)備配合使用時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)在鉆孔注水過程中實(shí)時(shí)的觀測(cè)其壓力變化情況；輔助設(shè)備有：圓圖記錄儀、壓力表、鉆孔窺視儀，輔助工具主要用于控制孔壁及切槽情況。具體水力壓裂的工序示意圖如圖3所示。

圖3 水力壓裂工序示意圖

3.2 預(yù)裂縫的切槽工藝

頂板定向水力致裂切槽封孔的操作示意圖如圖4所示。

圖4 預(yù)裂縫切槽示意圖

圖4中所用切槽鉆頭為Φ46mm，切槽鉆頭配合封孔使用，根據(jù)薛虎溝煤業(yè)2-106A工作面堅(jiān)硬頂板巖層的特征，先利用地質(zhì)鉆機(jī)在2-106A工作面運(yùn)輸順槽垂直頂板打設(shè)Φ46mm的鉆孔，孔深為10m，鉆孔打設(shè)完畢后，利用錨桿鉆機(jī)在致裂鉆孔的四周打設(shè)觀測(cè)鉆孔，觀測(cè)鉆孔與之間鉆孔之間的間距為5m，觀察測(cè)孔的目的主要為測(cè)量致裂鉆孔的半徑，在鉆孔打設(shè)完畢后，通過礦用型鉆孔窺視儀器觀測(cè)鉆孔孔壁，來確保不出現(xiàn)裂紋、離層現(xiàn)象，有效封孔后，在地質(zhì)鉆機(jī)上安裝切槽刀具，并將刀具伸入鉆孔底部，慢速旋轉(zhuǎn)，鉆孔大約需要鉆進(jìn)5cm即可，切出1個(gè)合理的楔形槽，如圖4所示，在水壓強(qiáng)度有限條件下，鉆孔效果會(huì)直接影響到水力壓裂效果，通過對(duì)2-106A工作面鉆孔切槽效果進(jìn)行觀察，從觀測(cè)結(jié)果能夠看出切槽效果良好，為堅(jiān)硬頂板水力壓裂切槽成功奠定了良好基礎(chǔ)。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)

薛虎溝煤業(yè)2-106A工作面在進(jìn)行水力致裂試驗(yàn)時(shí)，布置17個(gè)水壓致裂孔，孔深20m，孔間距為5m，孔徑為46mm，角度為偏向?qū)嶓w煤側(cè)成60°角，孔垂直致裂高度為17.5m，致裂壓力能夠達(dá)到20.8MPa以上，2-106A工作面水力致裂鉆孔布置方式如圖5所示。

圖5 工作面頂板水力致裂鉆孔及控制鉆孔布置示意圖

3.4 水力壓裂效果分析

通過在2-106A工作面運(yùn)輸巷水力壓裂區(qū)域布置測(cè)點(diǎn)B，在試驗(yàn)段距離工作面100m時(shí)開始對(duì)巷道變形量進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，同時(shí)在工作面回采位置前方100m未致裂位置布置測(cè)點(diǎn)A，在工作面不斷推進(jìn)后，能夠的得出致裂區(qū)域和未致裂區(qū)域圍巖變形量，如圖6所示。

圖62 -106A運(yùn)輸巷水力壓裂與未水力壓裂區(qū)域圍巖變形曲線圖

從圖6（a）中能夠看出，未致裂區(qū)域比致裂區(qū)域的兩幫變形量大，且距離工作面小于60m的區(qū)域，致裂區(qū)域變形量比未致裂區(qū)域變形量減小約40%；從圖6（b）中能看出在距工作面位置相同時(shí)，致裂區(qū)域的頂?shù)装遄冃瘟考s為未致裂區(qū)域的頂?shù)装遄冃瘟康?0%。根據(jù)上述數(shù)據(jù)能夠得出水力致裂技術(shù)有效的解決了2-106A運(yùn)輸巷圍巖變形量大，治理了工作面沖擊動(dòng)力災(zāi)害。

4 結(jié) 論

1）通過對(duì)2-106A工作面回采期間運(yùn)輸順槽圍巖大變形破壞的特征及原因進(jìn)行分析，得出動(dòng)靜壓力組合作用下，巷道大變形破壞的主要原因?yàn)閳?jiān)硬頂板破斷產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊能量。

2）利用水力致裂技術(shù)對(duì)2-106A工作面運(yùn)輸巷對(duì)巷道堅(jiān)硬頂板進(jìn)行弱化處理，堅(jiān)硬頂板在進(jìn)行水力弱化后，巷道的圍巖變形量大幅減小，有效的解決了回采巷道沖擊動(dòng)力災(zāi)害，對(duì)類似技術(shù)難題提供借鑒。