寧建國(guó)楊尚王俊紀(jì)潤(rùn)清張曉東王志剛

（1山東科技大學(xué)能源與礦業(yè)工程學(xué)院山東青島266590 2大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心山西大同037003 3大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司晉華宮煤礦山西大同037003）

0 引言

晉華宮煤礦主采12-2#煤層，煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是頂板較為堅(jiān)硬，多為中砂巖、粉砂巖。12-2#煤層402盤區(qū)8214工作面2214巷沿空側(cè)留有6 m～20 m煤柱，在開(kāi)采過(guò)程中，由于頂板較為堅(jiān)硬，工作面?zhèn)认蝽敯咫y以垮落，形成一定長(zhǎng)度的懸臂梁結(jié)構(gòu)，上覆頂板壓力逐漸向2214巷煤柱幫轉(zhuǎn)移，煤柱承受較大載荷，巷道煤柱幫破碎嚴(yán)重，出現(xiàn)片幫網(wǎng)兜現(xiàn)象，鼓幫較嚴(yán)重。為解決以上問(wèn)題，晉華宮煤礦采用定向爆破方式處理側(cè)向懸頂問(wèn)題，以此降低小煤柱承受載荷[1-5]。但定向爆破不僅存在鉆孔施工量大、效率低，而且很可能引燃采空區(qū)有害氣體，給煤礦的安全、高效開(kāi)采產(chǎn)生一定的隱患[6]。為此，針對(duì)8214工作面堅(jiān)硬側(cè)向懸頂問(wèn)題本文提出了臨空巷道煤柱高壓水力“割-壓”破裂斷頂卸壓技術(shù)，以期解決堅(jiān)硬側(cè)向懸頂問(wèn)題和臨空巷道圍巖控制難題，為堅(jiān)硬頂板工作面安全開(kāi)采及相關(guān)災(zāi)害防治等提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

晉華宮12-2#煤層402盤區(qū)8214工作面煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層傾角平均為11°，厚度平均為6.2 m，面長(zhǎng)1 104 m，寬137 m，平均埋深310 m。南至402輔運(yùn)大巷，西部為8214回采工作面采空區(qū)，北部為8212回采工作面采空區(qū)，東部為870大巷。8214工作面采用雙巷布置，2214巷（運(yùn)輸順槽）走向長(zhǎng)度1 104.5 m，5214巷（回風(fēng)順槽）走向長(zhǎng)1 104.5 m，如圖1所示。8214工作面頂?shù)装鍘r層情況如表1所示。

圖1 8214工作面位置關(guān)系

表1 8214工作面頂?shù)装迩闆r

2 臨空巷道煤柱斷頂卸壓理論

對(duì)于晉華宮煤礦而言，8214工作面采用臨空煤柱護(hù)巷技術(shù)，頂板巖層為堅(jiān)硬巖層，堅(jiān)硬頂板難以垮落。堅(jiān)硬懸頂自身的重量及上方的巖層傳遞下來(lái)的載荷作用在煤柱上方，引起煤柱上方支承壓力大幅提高，煤柱內(nèi)產(chǎn)生較大的應(yīng)力場(chǎng)，煤柱完整性變?nèi)醭霈F(xiàn)片幫現(xiàn)象，如圖2（a）所示。

圖2 臨空巷道煤柱斷頂前后受力示意圖

為解決8214工作面堅(jiān)硬側(cè)向懸頂問(wèn)題，采用臨空巷道煤柱高壓水力“割-壓”破裂斷頂卸壓技術(shù)，如圖2（b）～（c）所示。利用水力割縫預(yù)先在巖體中按預(yù)設(shè)裂縫方向擴(kuò)展進(jìn)行割縫，形成有序、一致的縫槽布置形態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體局部應(yīng)力的重新分布改造；其次該技術(shù)在縫槽位置進(jìn)行水力壓裂時(shí)，縫槽能夠誘導(dǎo)裂縫沿預(yù)設(shè)或者工程要求方向擴(kuò)展，達(dá)到定向的目的。

采用高壓水力割縫-壓裂斷頂后，堅(jiān)硬懸頂及上覆巖層垮落，作用在煤柱上方的載荷降低，支承壓力整體降低，煤柱應(yīng)力環(huán)境得到改善，煤柱完整性較好，臨空巷道應(yīng)力水平整體降低，煤柱側(cè)片幫現(xiàn)象基本消除，如圖2（d）所示。

3 臨空巷道煤柱斷頂卸壓技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

3.1 臨空巷道煤柱斷頂卸壓實(shí)施方案

根據(jù)8214工作面現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)以及生產(chǎn)情況，選擇在8214工作面2214巷720 m～690 m區(qū)域內(nèi)煤柱側(cè)實(shí)施高壓水力“割-壓”破裂斷頂卸壓技術(shù)。在實(shí)施區(qū)域共布置6個(gè)割縫-壓裂鉆孔，鉆孔間距為6 m，鉆孔開(kāi)口處位于巷道肩角附近，鉆孔深度為12.5 m，鉆孔角度61°，鉆孔直徑85 mm，單鉆孔布置2個(gè)縫槽，縫槽間距為4 m，其中深縫槽位于11.0 m處，與煤柱側(cè)巷幫水平距離為5.3 m，淺縫槽位于7.0 m處，與煤柱側(cè)巷幫水平距離為3.4 m，如圖3所示。

圖3 側(cè)向斷頂鉆孔布置

3.2 臨空巷道煤柱斷頂卸壓技術(shù)實(shí)施

臨空巷道煤柱高壓水力“割-壓”斷頂卸壓技術(shù)包括四個(gè)階段，分別為鉆孔階段、高壓水力割縫階段、窺視階段、高壓水力壓裂階段。

圖4 鉆孔階段

鉆孔階段：在設(shè)定位置利用地質(zhì)鉆機(jī)、水力割縫淺螺紋鉆桿、割縫器、水力割縫鉆頭等設(shè)備按設(shè)計(jì)方案進(jìn)行鉆孔，如圖4所示。

圖5 割縫階段

高壓水力割縫階段：連接高壓水力割縫管路，檢查管路密閉性完好后，進(jìn)行深部縫槽和淺部縫槽水力割縫，水 壓 采 用 遞 進(jìn) 式 增 加：10 MPa，20 MPa，30 MPa，…，各縫槽割縫水壓為50 MPa～85 MPa，最大割縫水壓達(dá)到85 MPa，每個(gè)縫槽割縫時(shí)間總用時(shí)8～10分鐘左右，如圖5所示。

窺視階段：采用鉆孔電視對(duì)鉆孔進(jìn)行窺視，以便檢驗(yàn)割縫效果和確定割縫位置，為接下來(lái)高壓水力壓裂做準(zhǔn)備。

圖6 壓裂階段

圖7 水壓監(jiān)測(cè)儀及現(xiàn)場(chǎng)連接

高壓水力壓裂階段：連接高壓水力壓裂管路，檢查管路密閉性完好后，根據(jù)鉆孔窺視確定的各鉆孔深淺縫槽位置進(jìn)行壓裂，高壓水力壓裂方式采用間隔孔壓裂，即對(duì)1#割縫-壓裂鉆孔（由于現(xiàn)場(chǎng)操作、施工問(wèn)題1#鉆孔未進(jìn)行壓裂）、3#割縫-壓裂鉆孔、5#割縫-壓裂鉆孔進(jìn)行壓裂，如圖6所示。在壓裂期間采用水壓監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)水力壓裂時(shí)間、縫槽破裂水壓力，水壓監(jiān)測(cè)儀如圖7所示，水壓監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8～9所示。

圖8 3#鉆孔水力壓裂水壓監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖9 5#鉆孔水力壓裂水壓監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖8 ～9為不同鉆孔水力壓裂水壓監(jiān)測(cè)結(jié)果，其中，3#鉆孔深縫槽水力壓裂時(shí)間達(dá)200 s，縫槽起裂水壓力為16.7 MPa，失穩(wěn)水壓力為17.5 MPa；3#鉆孔淺縫槽水力壓裂時(shí)間達(dá)45 s，縫槽起裂水壓力為10.8 MPa，失穩(wěn)水壓力為11.5 MPa；5#鉆孔深縫槽水力壓裂時(shí)間達(dá)103 s，縫槽起裂水壓力為14.7 MPa，失穩(wěn)水壓力為15.2 MPa；5#鉆孔淺縫槽水力壓裂時(shí)間達(dá)64 s，縫槽起裂水壓力為13.1 MPa，失穩(wěn)水壓力為13.5 MPa。由各監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，水壓力曲線基本相似，基本為水壓上升段、水壓穩(wěn)定段、水壓下降段。這主要由于高壓清水泵泵注排量較大，且8214工作面上方頂板強(qiáng)度高、節(jié)理裂隙不發(fā)育、整體性強(qiáng)，上方頂板初次破裂后水壓力并沒(méi)有明顯的下降，而是穩(wěn)定在一定水平，此時(shí)的水壓力為裂縫張開(kāi)壓力和裂縫擴(kuò)展壓力的綜合體現(xiàn)。因高壓水在經(jīng)過(guò)壓裂管路、封孔器等設(shè)備過(guò)程中出現(xiàn)水力衰減現(xiàn)象，縫槽起裂與裂縫擴(kuò)展的純水壓力值要小于壓力傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)值。

4 臨空巷道煤柱斷頂卸壓效果檢驗(yàn)

4.1 鉆孔電視探測(cè)

為了解高壓水力割縫效果，待高壓水力割縫完成后，使用鉆孔電視對(duì)鉆孔進(jìn)行直觀探測(cè)，以便更好地了解不同水壓的割縫效果、縫槽位置等參數(shù)，為后續(xù)水力壓裂做準(zhǔn)備。

圖10 1#鉆孔窺視結(jié)果

圖11 2#鉆孔窺視結(jié)果

圖12 3#鉆孔窺視結(jié)果

圖13 5#鉆孔窺視結(jié)果

圖10 ～圖13為具有代表性鉆孔不同水壓割縫窺視結(jié)果。各鉆孔分別進(jìn)行了50 MPa、60 MPa、70 MPa、75 MPa、80 MPa、85 MPa，6種不同水壓鉆孔割縫，當(dāng)水壓為50 MPa時(shí)，縫槽相對(duì)較窄，并且孔壁僅僅有較淺的割痕，如圖11（a）所示；當(dāng)水壓為60 MPa時(shí)，縫槽相對(duì)較窄，鉆孔電視探測(cè)發(fā)現(xiàn)縫槽寬度僅為1 cm～2 cm，經(jīng)相關(guān)研究分析可得割縫半徑為到20 cm～30 cm，如圖11（b）所示；當(dāng)水壓為70 MPa、75 MPa時(shí)，縫槽寬度逐漸變寬，鉆孔電視探測(cè)發(fā)現(xiàn)縫槽寬度為3 cm～4 cm，經(jīng)分析可得割縫半徑為到30 cm～40 cm，如圖10（b）、12（b）、13（b）所示；當(dāng)水壓為80 MPa、85 MPa時(shí)，縫槽寬度較寬，鉆孔電視探測(cè)發(fā)現(xiàn)縫槽寬度為4 cm～5 cm，經(jīng)分析可得割縫半徑為到40 cm～50 cm，如圖10（a）、12（a）、13（a）所示。由此可知，對(duì)于晉華宮12-2#層402盤區(qū)8214工作面頂板來(lái)說(shuō)，最低割縫壓力應(yīng)大于50 MPa，并且縫槽寬度以及割縫半徑隨著水壓的增大不斷增大，縫槽寬度以及割縫半徑與水壓呈正比關(guān)系。

4.2 切頂前后頂板錨桿、錨索托錨力監(jiān)測(cè)

采用錨桿（索）測(cè)力計(jì)檢驗(yàn)臨空巷道煤柱斷頂卸壓效果。在2214巷未實(shí)施割縫-壓裂區(qū)域與實(shí)施割縫-壓裂區(qū)域安裝頂錨桿（索）測(cè)力計(jì)，以此監(jiān)測(cè)兩區(qū)域頂錨桿（索）真實(shí)受力狀態(tài)，更好的評(píng)價(jià)割縫-壓裂卸壓效果。

4.2.1 測(cè)站布置

在未實(shí)施割縫-壓裂與實(shí)施割縫-壓裂區(qū)域，分別在巷道中部安裝錨桿（索）測(cè)力計(jì)。在2214巷共布置4個(gè)測(cè)站，分別為1#測(cè)站、2#測(cè)站、3#測(cè)站、4#測(cè)站，其中1#測(cè)站、2#測(cè)站位于割縫-壓裂實(shí)施區(qū)域，1#測(cè)站位于2#、3#鉆孔之間，2#測(cè)站位于4#、5#鉆孔之間，3#測(cè)站、4#測(cè)站位于未割縫-壓裂區(qū)域，分別位于670 m、660 m位置處，如圖14（a）所示。其中每個(gè)測(cè)站布置一個(gè)錨桿測(cè)力計(jì)、一個(gè)錨索測(cè)力計(jì)，其中錨索測(cè)力計(jì)距煤柱幫1 m，錨桿測(cè)力計(jì)距煤柱幫2 m，布置方式如圖14（b）所示，錨桿（索）測(cè)力計(jì)現(xiàn)場(chǎng)安裝布置，如圖14（c）所示。

圖14 測(cè)站布置

4.2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

圖15 各測(cè)站錨桿（索）受力變化曲線圖

圖15 為各測(cè)站錨桿（索）受力變化曲線圖，由圖15（a）知，未割縫-壓裂區(qū)域中的3#測(cè)站、4#測(cè)站中錨索受力較大，3#測(cè)站、4#測(cè)站中錨索最大值分別為85.7 kN、81.5 kN，平均83.6 kN；割縫-壓裂區(qū)域中1#測(cè)站、2#測(cè)站中錨索受力相對(duì)較小，1#測(cè)站、2#測(cè)站中錨索最大值分別為71.2 kN、49.3 kN，分別為未割縫區(qū)域的85%、59%。由圖4.15（b）知，未割縫-壓裂區(qū)域中的3#測(cè)站、4#測(cè)站中錨桿受力較大，3#測(cè)站、4#測(cè)站中錨桿最大值分別為62.7 kN、60.1 kN，平均為61.4 kN；割縫-壓裂區(qū)域中的1#測(cè)站中錨桿受力較大，達(dá)67.9 kN，2#測(cè)站中錨桿受力相對(duì)較小，僅為36.6 kN，為未割縫區(qū)域的60%。

其中1#測(cè)站中錨桿（索）受力較大原因主要為：1#測(cè)站位于2#鉆孔與3#鉆孔之間，而該區(qū)域由于現(xiàn)場(chǎng)操作、施工問(wèn)題，僅對(duì)3#鉆孔進(jìn)行了壓裂，致使該區(qū)域頂板僅有一部分被壓裂，導(dǎo)致1#測(cè)站受力相對(duì)較大；2#測(cè)站中錨桿（索）受力較小主要是2#測(cè)站位于3#鉆孔與5#鉆孔之間，該區(qū)域3#鉆孔與5#鉆孔分別進(jìn)行了割縫、壓裂，該區(qū)域頂板壓裂、卸壓效果較好，進(jìn)而2#測(cè)站錨桿（索）受力較小。

5 結(jié)論

（1）高壓水力“割-壓”破裂斷頂卸壓技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體局部應(yīng)力的重新分布改造；而且能誘導(dǎo)裂縫沿預(yù)設(shè)或者工程要求方向擴(kuò)展，達(dá)到定向的目的。

（2）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔窺視結(jié)果分析可知，對(duì)于8214工作面頂板來(lái)說(shuō)，最低割縫壓力應(yīng)大于50 MPa；通過(guò)水壓監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)結(jié)果分析可知，對(duì)于割縫后8214工作面頂板來(lái)說(shuō)，縫槽最小起裂水壓力為10.8 MPa，最小失穩(wěn)水壓力為11.5 MPa。

（3）高壓水力“割-壓”破裂斷頂卸壓技術(shù)可以使臨空巷道煤柱上方堅(jiān)硬懸頂垮落，作用在煤柱上方的載荷降低，支承壓力整體降低，煤柱應(yīng)力環(huán)境得到改善，臨空巷道應(yīng)力水平整體降低，錨桿（索）受力大幅度降低，煤柱側(cè)鼓幫現(xiàn)象得到控制。