米山煤業(yè)淺埋煤層堅(jiān)硬頂板水壓致裂技術(shù)應(yīng)用

郭軍鵬

（山西安煤礦業(yè)設(shè)計(jì)工程有限公司，山西 太原 030006）

我國(guó)多個(gè)礦區(qū)的開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)表明，淺埋煤層回采過(guò)程中，工作面礦壓顯現(xiàn)反而更加強(qiáng)烈。由于煤層埋深淺，采場(chǎng)覆巖破斷巖塊所受水平擠壓力較小，不易形成穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)，因此容易失穩(wěn)。當(dāng)頂板巖層堅(jiān)硬時(shí)，極易形成整體式切落，造成頂板事故[1-3]。不少學(xué)者[4-7]都對(duì)淺埋煤層進(jìn)行了研究，得出了淺埋煤層覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律。我國(guó)學(xué)者石平五[8]研究了覆巖裂隙對(duì)頂板下沉的影響；黃慶享[9]提出了工作面支護(hù)強(qiáng)度的估算方法；任艷芳[10]將“承壓拱”作為淺埋煤層覆巖穩(wěn)定的判定依據(jù)。

綜上所述，淺埋煤層堅(jiān)硬頂板工作面礦壓顯現(xiàn)往往比較劇烈，容易引發(fā)頂板事故，因此對(duì)其支護(hù)體系的研究具有較大意義。本文以米山煤業(yè)某礦15112 工作面為工程背景，對(duì)水壓致裂技術(shù)應(yīng)用于堅(jiān)硬頂板的致裂、軟化效果進(jìn)行研究。

1 工程背景

米山煤業(yè)某礦15112 工作面位于井田的東部，主采煤層為15 號(hào)煤層，井下標(biāo)高+742～+817 m，地面標(biāo)高+920～+971 m，煤層賦存深度約為178～154 m。工作面對(duì)應(yīng)的地表為耕地、山林等，無(wú)建筑、河流及其它設(shè)施。15112 綜采工作面北部為15113準(zhǔn)備工作面，東部為保安煤柱，南部為15111 采空區(qū)，西部為15104 運(yùn)輸巷。工作面長(zhǎng)度145.5 m，運(yùn)輸巷走向長(zhǎng)度1 235 m，回風(fēng)巷走向長(zhǎng)度1 220 m；煤層平均厚2.7 m，煤層傾角3°～8°，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；煤層頂板為K2石灰?guī)r、泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖、粗粒砂巖等，頂?shù)装鍘r性見(jiàn)圖1。

圖1 煤層柱狀圖

2 堅(jiān)硬頂板處理措施

通過(guò)地質(zhì)資料可知15112 工作面上方有平均厚度為8.09 m K2石灰?guī)r，最厚達(dá)11.6 m，其抗壓強(qiáng)度約為40 MPa，巖性較為堅(jiān)硬。按照以往的經(jīng)驗(yàn)，工作面回采后堅(jiān)硬巖層易形成較大懸頂面積，一旦垮落造成礦壓顯現(xiàn)劇烈，不僅導(dǎo)致回采巷道大變形，而且極易引發(fā)安全事故，臨近工作面15109工作面就曾出現(xiàn)過(guò)液壓支架被壓死的現(xiàn)象。為減小回采巷道變形量并避免頂板事故再次發(fā)生，15112工作面采用水力切頂技術(shù)對(duì)上覆K2石灰?guī)r進(jìn)行致裂，使工作面頂板在采后盡快垮落充填采空區(qū)，避免其懸頂面積過(guò)大造成安全隱患。

15112 工作面上覆K2石灰?guī)r為超前支承壓力提供了傳遞路徑，水力切頂技術(shù)不僅可以切斷應(yīng)力的傳遞路徑，迫使應(yīng)力集中區(qū)域向煤巖體深處轉(zhuǎn)移，改善巷道圍巖力學(xué)環(huán)境，控制回采巷道的變形量；還可以軟化巷道頂板巖層，使其在工作面回采后盡快垮落充填采空區(qū)，起到強(qiáng)制放頂?shù)淖饔?，避免懸頂面積過(guò)大而引發(fā)頂板事故。

考慮到15112 工作面回風(fēng)巷機(jī)械設(shè)備相對(duì)較少，易于施工，因此選擇在15112 回風(fēng)巷施工鉆孔并進(jìn)行水力壓裂。其鉆孔布置方法如下：每隔10 m布置一個(gè)鉆孔，鉆孔貼煤幫平行巷道向采空區(qū)方向施工，開(kāi)孔位置距離巷幫300 mm，與豎直方向夾角為45°，鉆孔長(zhǎng)度12 m；因直接頂?shù)暮穸瘸０l(fā)生變化，故鉆孔長(zhǎng)度、間距等參數(shù)應(yīng)根據(jù)工作面上覆巖層厚度的變化做出相應(yīng)調(diào)整，并以保證能夠致裂上覆的K2石灰?guī)r為標(biāo)準(zhǔn)，水力壓裂見(jiàn)圖2。

圖2 水力壓裂

水力壓裂過(guò)程主要包括封孔、壓裂、注水、監(jiān)測(cè)等工序，施工流程見(jiàn)圖3。

（1）采用橫向切槽的特殊鉆頭，預(yù)制橫向切槽，見(jiàn)圖3（a）。

（2）利用手動(dòng)泵為封隔器加壓使膠筒膨脹，達(dá)到封孔目的，見(jiàn)圖3（b）。

（3）連接高壓泵實(shí)施壓裂，見(jiàn)圖3（c）。

圖3 施工流程

3 工業(yè)性試驗(yàn)

對(duì)15112 回風(fēng)巷頂板K2石灰?guī)r層進(jìn)行水壓致裂，頂板水力壓裂過(guò)程包括封孔、高壓水壓裂、保壓注水、壓裂監(jiān)測(cè)等主要工序。預(yù)裂縫起裂后水壓會(huì)有所下降，繼而進(jìn)入保壓階段，在這個(gè)階段，裂紋擴(kuò)展的同時(shí)伴隨著新裂紋的產(chǎn)生，利用流量計(jì)監(jiān)測(cè)流量及注入的水量，保證頂板巖層充分弱化和軟化。壓裂過(guò)程中觀察壓裂孔周?chē)敯宄鏊闆r，壓裂時(shí)間一般不少于30 min?？紤]到水壓裂縫產(chǎn)生后可能會(huì)形成“水楔效應(yīng)”，對(duì)下位巖層有擠壓作用。為保證安全，采用加密單體支柱或架設(shè)木垛等方式對(duì)超前支護(hù)段（致裂段）進(jìn)行補(bǔ)充加強(qiáng)支護(hù)。

為分析水壓致裂的卸壓效果，在15112 回風(fēng)巷選取300 m試驗(yàn)段進(jìn)行對(duì)比分析，沿工作面走向?qū)⒃囼?yàn)段劃分為3 段，前100 m試驗(yàn)段不進(jìn)行水壓致裂，作為對(duì)比段；中間100 m進(jìn)行水壓致裂，對(duì)水壓致裂設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，以便達(dá)到最佳效果，作為過(guò)渡段；最后100 m同樣進(jìn)行水壓致裂為實(shí)驗(yàn)段，見(jiàn)圖4。

圖4 試驗(yàn)段分段

采用“十字布點(diǎn)法”對(duì)各段的頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平窟M(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中對(duì)比段、過(guò)渡段、實(shí)驗(yàn)段頂?shù)装逡平恳?jiàn)圖5（a），兩幫移近量見(jiàn)圖5（b）。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)圖5可知，對(duì)比段、過(guò)渡段、實(shí)驗(yàn)段最大頂?shù)装逡平糠謩e為873 mm、575 mm、421 mm，最大兩幫移近量分別為408 mm、280 mm、207 mm。與對(duì)比段相比，過(guò)渡段的頂?shù)装逡平糠逯到档土?4.1%，兩幫移近量峰值降低了31.4%；實(shí)驗(yàn)段的頂?shù)装逡平糠逯到档土?1.8%，兩幫移近量峰值降低了49.3%。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用水壓致裂可以有效切斷巷道與采空區(qū)頂板巖層之間的物理聯(lián)系，切斷應(yīng)力的傳遞路徑，使應(yīng)力集中區(qū)域向煤巖體深處轉(zhuǎn)移，從而使巷道超前支承壓力降低，有效控制巷道變形。同時(shí)水壓致裂還可起到軟化頂板巖層的效果，經(jīng)過(guò)水壓致裂的過(guò)渡段和實(shí)驗(yàn)段，在工作面回采后基本可以實(shí)現(xiàn)采空區(qū)頂板巖層隨采隨冒，在滯后工作面5 m左右，采空區(qū)頂板巖層可全部垮落，放頂效果較好，杜絕了采空區(qū)出現(xiàn)大面積懸頂?shù)陌踩[患。

4 結(jié)論

1）采用水壓致裂技術(shù)可以有效切斷巷道與采空區(qū)頂板巖層之間的物理聯(lián)系，切斷應(yīng)力的傳遞路徑，使應(yīng)力集中區(qū)域向煤巖體深處轉(zhuǎn)移，從而降低巷道超前支承壓力，有效控制巷道變形。

2）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，水壓致裂對(duì)覆巖軟化作用明顯，工作面采后5 m采空區(qū)頂板巖層即可自然垮落。