堅(jiān)硬頂板定向水力致裂弱化頂板技術(shù)

董 建

（大同煤礦集團(tuán)鐵峰煤業(yè)有限公司， 山西 朔州 037000）

當(dāng)前近水平厚煤層多采用綜放一次采全高，該方式下巷道掘進(jìn)少，高產(chǎn)高效，適宜采用大功率采掘及轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備，但同時(shí)也將導(dǎo)致采場(chǎng)上覆巖層結(jié)構(gòu)失衡，礦壓顯現(xiàn)較為強(qiáng)烈，圍巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，易出現(xiàn)下沉、變形甚至出現(xiàn)沖擊地壓災(zāi)害。為了解決“兩硬”綜放工作面所存在的礦壓以及回采巷道臨空動(dòng)壓的顯現(xiàn)問(wèn)題，本文通過(guò)定向水力致裂技術(shù)對(duì)上覆巖層進(jìn)行弱化控制，解決巷道頂板下沉、底鼓、幫鼓嚴(yán)重等問(wèn)題。

1 8111 工作面概況及臨空礦壓顯現(xiàn)

8111 放頂煤工作面屬石炭系C3 號(hào)煤層，其地面標(biāo)高1 306～1 405 m，井下標(biāo)高873.0～909.4 m。C3號(hào)煤層賦存條件較好，煤層厚度可達(dá)5.30～8.10 m，平均6.80 m，屬中厚煤層，8111 工作面設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量380 萬(wàn)t，所采煤種為長(zhǎng)焰煤。C3 號(hào)煤層中存在3～5 層夾矸層，水平傾角較小約為2°～4°，瓦斯?jié)舛认鄬?duì)較小，其中相對(duì)瓦斯涌出量0.35 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量0.76 m3/min。8111 工作面走向長(zhǎng)度約為239.4 m，頭順槽長(zhǎng)2 466 m、尾順槽長(zhǎng)2 481 m。

5111 巷至8111 工作面切眼531 m 位置與停采線(xiàn)間相鄰段為臨空巷道，為已采工作面8101 工作面采空區(qū)，其間留設(shè)有30 m 寬的煤柱。臨空巷道5111巷頂板需要承受本工作面采動(dòng)所產(chǎn)生的超前支承力，同時(shí)與8101 采空區(qū)老頂連接，同時(shí)受到該區(qū)域頂板所形成的懸梁結(jié)構(gòu)傳遞的殘余支承應(yīng)力，兩種作用會(huì)造成5111 巷頂板應(yīng)力集中，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，會(huì)造成頂板下沉、底板底鼓和片幫，巷道支護(hù)的錨桿和錨索出現(xiàn)部分失效，并且部分單體支柱也出現(xiàn)支護(hù)失效和損壞，巷道變形嚴(yán)重（如圖1 所示），最嚴(yán)重的區(qū)段高度由原來(lái)的3.7 m 降低至為0.9 m，寬度由5.4 m 縮減為3.6 m。

圖1 臨空巷道5111 巷超前支護(hù)段礦壓顯現(xiàn)

2 定向水力致裂技術(shù)原理與工藝

2.1 定向水力致裂頂板機(jī)理

定向水力致裂其原理是通過(guò)利用高壓水流切斷煤巖體的原有結(jié)構(gòu)聯(lián)系，從而起到定向轉(zhuǎn)移部分上覆巖層壓力，主動(dòng)改善煤巖體中的應(yīng)力集中狀況。同時(shí)煤、巖體被水分充分浸潤(rùn)后，滲透能力增強(qiáng)，抗壓能力和彈性模量下降、微觀(guān)結(jié)構(gòu)中的相互粘結(jié)作用下降，呈現(xiàn)出應(yīng)力跌落現(xiàn)象，但整體結(jié)構(gòu)的柔性和塑性會(huì)出現(xiàn)一定的增強(qiáng)，承壓過(guò)程中所受到?jīng)_擊傾向減弱，并延長(zhǎng)受破壞時(shí)間。

水力致裂過(guò)程的高壓水流能夠?qū)?yīng)力集中的部分應(yīng)力進(jìn)行轉(zhuǎn)移和重新分布，起到提高應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)煤巖體圍巖穩(wěn)定性的作用。定向水力致裂作業(yè)過(guò)程中，單純利用高壓水流造成深度孔壁裂隙效果并不明顯，需要對(duì)鉆孔進(jìn)行人工切槽定向致裂，即通過(guò)特制刀具在鉆孔的設(shè)定位置形成楔形槽面，再通過(guò)切縫鉆頭流出的高壓水流沖擊槽面的尖端，而鉆桿在設(shè)定位置旋轉(zhuǎn)射出高壓水流后退，重復(fù)該工序后形成需要的徑向裂縫，封孔后繼續(xù)注入高壓水流裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展。

2.2 定向水力致裂成套裝置

特高壓水力致裂成套裝備由井下用高壓注水泵、水箱、定向水力致裂開(kāi)槽鉆頭、刀片及專(zhuān)用封孔器等，其中高壓泵及配套管路為工作面乳化液工作站內(nèi)配套設(shè)備，輔助配備水流壓力與流量的各類(lèi)儀表與鉆孔窺視鏡等。鉆機(jī)采用ZYJ-400/135 型架柱式鉆機(jī)，鉆孔直徑為Φ50 mm，高壓泵最大工作壓力為40 MPa。

2.3 水力致裂工藝流程

定向水力致裂弱化圍巖技術(shù)工藝流程順序?yàn)椋?/p>

1）水力致裂鉆孔施工，提前對(duì)需要軟化圍巖應(yīng)力的實(shí)體煤巖體前方傾斜向上施致裂鉆孔，通過(guò)架柱式鉆機(jī)對(duì)頂板進(jìn)行施工。

2）水力致裂鉆孔施工至預(yù)定位置后，通過(guò)定向水力致裂開(kāi)槽鉆頭對(duì)孔底施兩倍直徑的楔形槽，并通過(guò)鉆孔窺視鏡查驗(yàn)鉆孔開(kāi)槽情況。

3）對(duì)完成開(kāi)槽后的致裂鉆孔進(jìn)行預(yù)沖孔處理，通過(guò)跨式封孔器對(duì)切槽位置進(jìn)行封孔。

4）高壓水流通過(guò)高壓注水泵對(duì)封堵后的鉆孔進(jìn)行注水致裂。

3 8111 工作面水力致裂方案

8111 工作面直接頂巖性為泥巖、高嶺巖，普氏硬度f(wàn)為1.99～4.2，平均厚4.1 m，而老頂巖性為灰白色中砂巖、粗砂巖或礫巖主要成分石英長(zhǎng)石、含少量巖屑、次棱角狀至次圓狀、半堅(jiān)硬，平均厚6.7 m。該層結(jié)構(gòu)相較其他巖層較為堅(jiān)固，根據(jù)關(guān)鍵層理論其能夠?qū)υ摴ぷ髅嫔喜繋r層結(jié)構(gòu)起到控制作用。為了弱化5111 臨空巷應(yīng)力集中，通過(guò)對(duì)8111 工作面老頂施水力致裂鉆孔。具體施工方案：

水力致裂鉆孔施工超前工作面200 m，沿5111臨空巷煤柱側(cè)巷幫，朝向8101 采空區(qū)方向施水力致裂鉆孔，鉆探機(jī)選取型號(hào)為ZYJ—400/135 型架柱式鉆探機(jī)，鉆孔直徑50 mm。水力致裂鉆孔單排布置，間距20 m，深度約28.4 m，并與底板呈26°仰角，沿5111 煤柱巷幫側(cè)水平投影距離25 m。

圖2 8111 工作面水力鉆孔布置平面圖

水力致裂鉆孔采用封孔器封孔過(guò)程中，安裝桿及高壓膠管需要安裝牢固，避免加壓過(guò)程中脫開(kāi)造成擺渡對(duì)周?chē)藛T、設(shè)備等損傷。封孔器安裝時(shí)嚴(yán)禁人員處于鉆孔正下方，同時(shí)開(kāi)始加壓后操作人員應(yīng)遠(yuǎn)離鉆孔附近，并保持20 m 以上的安全距離，高壓注水停泵操作5 min 以上方可進(jìn)入鉆孔附近區(qū)域進(jìn)行相關(guān)檢查和操作。水力致裂過(guò)程應(yīng)逐級(jí)進(jìn)行，并確保鉆孔封孔后無(wú)滲水、漏水現(xiàn)象。加壓致裂過(guò)程中通過(guò)水壓流量?jī)x對(duì)加壓過(guò)程中的水流流速和水壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)水泵流量突然增大，應(yīng)及時(shí)停止水泵的加壓。監(jiān)控過(guò)程中需注意觀(guān)察相鄰鉆孔和鉆孔附近巷道頂板支護(hù)中錨桿和錨索末端滲水情況，用來(lái)確定水力致裂后的裂隙范圍情況，并當(dāng)該現(xiàn)象發(fā)生后并且水壓發(fā)生明顯下降時(shí)，停止加壓。同時(shí)致裂加壓過(guò)程還需要考慮輔助巷的超前支護(hù)狀況，監(jiān)控支護(hù)的單體液壓支柱工作阻力和活柱量變化。

4 效果分析

以18 號(hào)鉆孔壓裂過(guò)程為例，使用水力致裂測(cè)控儀記錄水壓隨時(shí)間的變化。如圖3 所示，致裂時(shí)最大水壓達(dá)到23 MPa，致裂時(shí)第6~12 min 停泵更換損壞的高壓膠管密封圈，再次啟動(dòng)高壓泵后水壓下降到9 MPa 左右，并維持穩(wěn)定。從壓力曲線(xiàn)的走勢(shì)可以明顯看出在第13 min 時(shí)頂板明顯被壓開(kāi)，形成預(yù)裂切縫。

圖3 18 號(hào)鉆孔水力致裂壓力曲線(xiàn)圖

自5111 巷1 890 m 處開(kāi)始實(shí)施水力致裂，截止水力致裂鉆孔施工結(jié)束至90 m 處，共施工96 個(gè)鉆孔，成功預(yù)裂93 個(gè)（其中3 個(gè)鉆孔塌孔無(wú)法致裂），致裂時(shí)水壓為7～53 MPa。自5111 巷1 890~90 m 段水力致裂弱化圍巖后，巷道頂板礦壓出現(xiàn)顯著下降，說(shuō)明致裂切頂有效打斷臨空巷頂板與鄰近采空懸頂間的聯(lián)系，并且5111 巷分別能夠確保高度1.8 m 和寬度4.2 m 的最小安全通過(guò)出口，較致裂切頂前得到極大改善。

5 結(jié)論

1）根據(jù)5111 臨空巷道變形嚴(yán)重發(fā)生的機(jī)理，施工水力致裂切頂鉆孔，在基本頂內(nèi)形成切縫，使8111 工作面及5111 臨空巷的上覆層中老頂與8101工作面采空區(qū)老頂間發(fā)生斷裂，避免5111 巷頂板同時(shí)承受8111 工作面超前支承壓力以及8101 采空區(qū)殘余支承應(yīng)力所引發(fā)的縮幫、頂板下沉等變形，保障工作面順利回采。

2）通過(guò)8111 工作面堅(jiān)硬頂板水力致裂弱化保護(hù)臨空巷道工業(yè)性試驗(yàn)，建立起高應(yīng)力巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)體系，在控制巷道變形方面取得良好成效，可以更加合理地進(jìn)行巷道維護(hù)，有效保障了8111 工作面的順利回采。