堅硬頂板磨砂射流軸向切頂初次放頂應用研究

李紅平，杜濤濤，孫秉成，楊 偉，常 博，趙志鵬，賈兵兵，劉 江

(1.國能新疆寬溝礦業(yè)有限責任公司，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 開采設計事業(yè)部，北京 100013；4.國家能源集團新疆能源有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

目前弱化堅硬頂板的方法，普遍采用爆破斷頂[1]和水力壓裂。但爆破方法對生產干擾大，且存在氣體超限等安全管控難題，風險相對水力壓裂更高；水力壓裂技術作為堅硬頂板弱化、圍巖卸壓的有效方法，在采煤工作面巖層控制、高應力與及沖擊地壓防治中得到廣泛的應用[2-4]。磨砂射流軸向切頂技術通過實驗室、數值模擬和現(xiàn)場實踐研究[5-7]，進一步發(fā)展了水力壓裂技術與工藝，通過割縫導向控制，壓裂過程沿割縫方向定向切頂，并在沖擊地壓礦井得到大量實踐，起到良好的防沖效果。

堅硬頂板是沖擊地壓的主要致災因素[8-11]，寬溝煤礦長期以來受堅硬頂板影響，以往主要采用超前深孔預裂爆破工藝處理堅硬頂板防治沖擊地壓[12-15]。但爆破作業(yè)易產生有毒有害氣體，造成氣體管控困難，基于此，引進了堅硬頂板磨砂射流軸向切頂技術與工藝，通過水力割縫壓裂處理堅硬頂板[16-18]，為寬溝煤礦堅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鍵技術參數的確定，基于此，應用該技術在I010206工作面擴面時開展了初次放頂工程實踐，實施過程利用水壓儀監(jiān)測、鉆孔窺視及出水觀測方法，完善了過程管控技術[19-21]；回采過程利用垮冒頂板現(xiàn)場觀測[22]、支架壓力監(jiān)測和煤體應力實測[23]方法進行了效果檢驗，揭示了堅硬頂板磨砂射流軸向切頂技術在進行堅硬頂板能夠達到初放處理效果，加快了寬溝煤礦磨砂射流軸向切頂技術應用推廣進程，為全面應用于寬溝煤礦堅硬頂板沖擊地壓防治實踐奠定了基礎。

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，擴面前傾斜長度85 m，擴面后傾斜長度137.8 m，可采走向長度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。

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

表1 頂板巖性

2 磨砂射流軸向切頂技術與參數確定

2.1 磨砂水射流軸向切頂技術與工藝

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

堅硬頂板磨砂射流軸向割縫壓裂技術的施工工藝主要包含“鉆孔-割縫-壓裂”三個環(huán)節(jié)：首先采用鉆機、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設位置，開啟水射流系統(tǒng)并將其切換至射流模式，此時，從射流器兩側的噴嘴中噴射出帶有磨料砂的高壓水，操作鉆機勻速后退鉆桿，可以使鉆孔兩側形成一定長度和深度的初始裂縫。關閉磨料泵，并將高壓泵調至封孔模式，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)擴展，待泵壓突然下降后或壓裂時間達到設計時間時關閉高壓泵，將封孔器卸壓，完成該分段的壓裂工作。開啟鉆機、操作鉆桿使射流器移動至下一割縫位置，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確定

2.2.1 割縫試驗方案

在I010206回風巷超前工作面300 m位置，避開采動影響，通過B孔向A孔方向進行割縫，A孔為觀測孔，確定巖性、調整壓裂位置、效果檢驗。確定割縫長度300 mm、割縫半徑200 mm時，割縫壓力與割縫時間關系，割縫長度指孔內每個割縫分段的裂縫軸向長度，割縫半徑指沿鉆孔徑向延展裂縫長度。在B孔計劃分段向間距200 mm的A孔進行割縫，割縫試驗鉆孔布置如圖2所示，試驗方案為：①割縫壓力40 MPa，記錄割通時間、用砂量，向下移動割縫；②割縫壓力50 MPa，記錄割通時間、用砂量，向下移動割縫。

圖2 割縫試驗方案布置

2.2.2 割縫試驗結果

從B孔深17 m位置，朝向間隔200 mm的A孔方向進行割縫，注水泵給壓40 MPa，加砂量25 kg，割縫長度300 mm，割縫時長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孔方向進行割縫，注水泵給壓50 MPa，加砂量25 kg，割縫長度300 mm，割縫時長1 min，割通A、B孔間隔200 mm巖層，A孔出水。

通過試驗確定了割縫半徑、割縫壓力、割縫時間、石榴砂用量等主要參數見表2。

2.3 磨砂射流軸向切頂壓裂參數確定

2.3.1 試驗方案

裂試驗方案布置方案如圖3所示，壓裂試驗布置4個鉆孔，其中2個觀測孔，2個割縫、壓裂孔。利用確定的磨砂割縫參數，進一步開展磨砂射流后的壓裂試驗研究，確定壓裂半徑及其壓裂參數。

圖3 壓裂試驗方案布置

1)方案一：割縫方向：F→E，割縫半徑200 mm，割縫長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 試驗結果

按照試驗方案，開展了F孔2個分段5 m的壓裂半徑參數試驗研究，成功完成了2段5 m的壓裂半徑，確定了割縫參數：割縫長度300 mm，割縫半徑200 mm，割縫壓力40～55 MPa，割縫時間1～1.5 min；壓裂參數：起裂壓力50～55 MPa，壓裂時間10～12 min，壓裂半徑5 m；開展了I孔4次分段10 m壓裂半徑參數試驗研究，成功完成了3次10 m的壓裂半徑，確定了割縫參數：割縫長度300 mm，割縫半徑200 mm，割縫壓力40～55 MPa，割縫時間1～1.5 min；壓裂參數：起裂壓力55～60 MPa，壓裂時間10～20 min，壓裂半徑10 m，試驗結果見表3。

表3 壓裂試驗結果

綜上，通過工業(yè)性試驗研究，確定了磨砂射流軸向切頂割縫和壓裂的關鍵技術參數，為確保參數的普適性，又開展了補充試驗，進一步驗證了上述試驗結果，篇幅限制，不再贅述。

3 擴面區(qū)域初次切頂工程實踐

3.1 擴面初次切頂參數設計

擴面開切巷長度為53 m，設計6個磨砂射流切頂孔，間距9 m，孔深30 m，孔內分段割縫壓裂間距4 m，分別在孔深22 m、18 m、14 m、10 m進行4段割縫和壓裂，根據現(xiàn)場參數確定結果，設計割縫參數：割縫壓力50～55 MPa，割縫時間3～5 min，砂量25 kg，割縫縫長300～500 mm，割縫方向為A方向、B方向；壓裂參數：壓裂壓力為50～65 MPa，壓裂時間15～20 min，具體方案如圖4所示。

圖4 擴面開切巷磨砂射流走向切頂方案

3.2 實施過程

磨砂射流軸向切頂實施期間，利用水壓儀數據和現(xiàn)場割縫壓裂過程進行控制，由于篇幅有限選取典型磨砂射流曲線進行實施過程分析，通過水壓儀監(jiān)測數據可以明顯看出，共割縫3段，主要是由于頂煤厚度變化，第4段進入煤層，未實施割縫直接進行壓裂，為充分破壞頂煤，在第4段壓裂過程，實施了2次壓裂，第2段壓裂過程，首先進行了30 MPa的試壓，判斷原生裂隙的影響，通過試驗壓裂過程未通過原生裂隙出水，然后開始正常壓裂，起裂過程壓裂有明顯突降，按照壓裂時間控制，當壓裂半徑10 m區(qū)域出水后，再延長5 min進行壓裂，進一步擴大裂縫擴展范圍。壓裂過程觀測相鄰鉆孔是否出水，通過觀測擴面開切巷壓裂期間均實現(xiàn)了相鄰孔的出水，擴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)整個工作面鉆孔的全部出水，表明實現(xiàn)了整個工作面裂縫的導通。綜上，I010206工作面實施過程，均實現(xiàn)了壓裂設計的要求，主要技術參數得到了充分驗證和控制?，F(xiàn)場磨砂射流工程實施監(jiān)控結果如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場磨砂射流工程實施監(jiān)控

磨砂射流軸向切頂實施后，選擇了靠近上順槽的5#磨砂射流孔進行鉆孔窺視，裂縫擴展窺視結果如圖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，停止了進一步觀測，為確定范圍分別在75號支架-81號支架范圍均出現(xiàn)類似現(xiàn)象，表明，通過磨砂射流軸向切頂后，縱向裂縫得到有效擴展，局部破碎、空洞現(xiàn)象出現(xiàn)，進一步驗證了工程實施的有效性。

圖6 裂縫擴展窺視結果

綜上，通過現(xiàn)場嚴格監(jiān)管和現(xiàn)場監(jiān)測與觀測，完成了磨砂射流軸向切頂技術在I010206工作面擴面后的初次切頂工程應用。

4 工程實踐效果

除上述磨砂射流軸向切頂工程實施過程的分析外，現(xiàn)場頂板垮冒是否及時、工作面壓力及煤體應力演化過程，是綜合評價磨砂射流軸向切頂效果的有效方法，為此，開展了擴面后現(xiàn)場頂板垮冒現(xiàn)場觀測素描、支架壓力數據、煤體應力監(jiān)測數據分析，從而進行工程應用效果分析。

4.1 頂板垮冒過程分析

B2煤層開采過程一直采取傳統(tǒng)爆破方式進行初次放頂實踐，擴面初放是首次將磨砂射流軸向切頂技術應用于初次放頂中實踐，通過現(xiàn)場觀測素描進行兩種方法同期對比，對比布置如圖7所示，采用磨砂射流軸向切頂技術進行擴面區(qū)域的初次放頂，除端頭頂板全部實現(xiàn)采空區(qū)充填滿，更有利于頂板垮冒演化發(fā)展，同期，采用爆破方法進行初放，有4架區(qū)域未完全垮冒，通過頂板過程觀測分析對比，采用磨砂射流軸向切頂進行頂板處理，達到了傳統(tǒng)爆破初放切頂的效果。

圖7 不同初次放頂方法同期對比

4.2 頂板壓力作用分析

巖層活動強烈是造成初采期間沖擊危險的主要原因，工作面支架壓力分布如圖8所示，工作面回采過程中，結合現(xiàn)場垮冒觀測表明能夠及時垮落，磨砂射流軸向切頂能夠有效弱化頂板完整堅硬巖層，避免了大面積巖層垮落，較擴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)域頂板對工作面煤壁的作用得到明顯改善，實現(xiàn)了與傳統(tǒng)爆破初次放頂的效果，為礦井后期堅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 煤體應力集中分析

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

圖9 壓裂前后煤體應力變化曲線

5 結 論

1)通過開展磨砂射流工業(yè)性試驗及其補充試驗，確定了磨砂射流割縫深度200 mm、長度300 mm的割縫壓力為40～50 MPa，用砂量25 kg，割縫時間為1～1.5 min；采用確定割縫主要參數，實現(xiàn)壓裂半徑5 m時壓裂壓力為50～55 MPa，壓裂時間為10～12 min；實現(xiàn)壓裂半徑10 m時壓裂壓力為55～60 MPa，壓裂時間為20～24 min。

2)擴面初放磨砂射流軸向切頂實施，實現(xiàn)了整個工作面裂縫的導通，鉆孔窺視結果得到壓裂后巖層出現(xiàn)明顯的裂縫、甚至局部破碎情況，驗證了設計的割縫、壓裂參數能夠滿足初放工程的需要。

3)通過回采過程多方法效果檢驗表明，采取磨砂射流軸向切頂進行初次放頂后，推采13.6 m后架后頂板基本垮冒充實采空區(qū)，較爆破初放預裂進步距更短；明顯改善了頂板對工作面煤壁的作用，起到了同爆破同樣效果；擴面后回采過程中煤體產生了2.9 MPa的應力降，有效降低了頂板對工作面煤壁的作用強度，改善了采場應力環(huán)境，為該技術在礦井堅硬頂板處理全面推廣應用奠定了基礎。