殷澤宇，張 磊

(西山煤電集團(tuán)公司 官地礦，山西 太原 030022)

綜放工作面初采時要尤其注意頂板管理，對于Ⅲ級或Ⅳ級堅硬基本頂，初采期間極易造成初次來壓步距較長，基本頂難以及時垮落，在不采取強(qiáng)制放頂措施時，初次垮落步距可達(dá)40 m以上，給通風(fēng)管理造成很大隱患。同時，頂板如果突然垮落容易引起颶風(fēng)，給初采初放帶來安全隱患。此問題的出現(xiàn)實質(zhì)上都是由于工作面上部頂板未及時斷裂，導(dǎo)致應(yīng)力傳遞而引起的。以官地礦28418綜放工作面為研究對象，采用理論分析、鉆孔窺視、工業(yè)實踐的方法，開展水壓預(yù)裂切頂卸壓成套技術(shù)方案研究與應(yīng)用，在確保安全的基礎(chǔ)上，以降低成本，提高切頂效果，為工作面安全生產(chǎn)提供保障。

1 工程背景

官地礦28418綜放工作面為“采九放八”采煤工藝，8#煤層總厚度4.56 m，上部含有兩層厚度約為0.56 m、0.03 m的夾石；8#與9#煤層間距0.20～1.50 m，平均0.85 m；9#煤層平均厚度3.32 m.9#煤直接頂為泥巖，厚度為0.2～1.5 m，8#煤基本頂為石灰?guī)r，厚度為3.01 m，普氏系數(shù)為6～8，柱狀圖見圖1.

圖1 28418工作面圍巖柱狀圖

該工作面8#煤塵爆炸指數(shù)23.17%，9#煤塵爆炸指數(shù)15.91%，均具有爆炸性，且8#煤層為Ⅱ類易自燃煤層，為確保頂板及通風(fēng)管理安全，初采初放頂板垮落步距應(yīng)盡可能縮短，故采用高效水力壓裂頂板技術(shù)對頂板進(jìn)行切頂卸壓，以減小初次來壓步距及動壓影響。

2 水力預(yù)裂切頂卸壓力學(xué)機(jī)理

2.1 堅硬巖體水力壓裂裂縫開啟與擴(kuò)展規(guī)律

對堅硬巖體孔壁周圍應(yīng)力進(jìn)行建模，見圖2.

圖2 堅硬巖體孔壁周圍應(yīng)力模型圖

根據(jù)彈性力學(xué)計算可知：

σθ=σx(1-2cos2θ)+σy(1+2cos2θ)-4σxysin2θ-p

σθz=-2σxzsinθ+2σyzcosθ

σθ隨著水壓P的增大而不斷減小(壓應(yīng)力為正，拉應(yīng)力為負(fù))，而σz則不隨著水壓P的變化而變化，即隨著水壓的不斷增大，周向應(yīng)力逐漸由壓應(yīng)力向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化，而孔壁軸向應(yīng)力則保持不變，裂縫逐漸接近于縱向裂縫，裂縫擴(kuò)展近似與最大水平主應(yīng)力的方向平行。縱向裂隙開啟后，拉應(yīng)力會沿著裂縫向徑向與軸向方向不斷集中，持續(xù)產(chǎn)生大量的徑向裂隙與軸向裂隙，將堅硬圍巖預(yù)裂[1-2].

2.2 水壓預(yù)裂參數(shù)設(shè)計

1)工作面頂板水力壓裂切頂卸壓的控制技術(shù)思路是：對煤柱上方的頂板采用水力壓裂，可有效切斷由于采動造成的基本頂應(yīng)力傳遞路徑，形成水壓裂縫網(wǎng)絡(luò)，破壞其整體性。故水力壓裂對象為基本頂，要求壓裂高度貫穿此區(qū)域。

2)端頭懸頂?shù)念A(yù)裂對象主要為中低位巖層，需要考慮以下3方面：冒落的巖層能夠超過巷道的高度;減小錨桿和錨索對水力壓裂效果的影響;中位巖層的壓裂促進(jìn)下位巖層的冒落。

采用“低位致裂+高位弱化”的控制思路，可同時解決端頭懸頂治理和動壓巷道的控制問題[3-5].

3)理想切頂線位置沿煤柱側(cè)垂直頂板切落，但考慮實際井下鉆孔施工可行性，切頂線位于巷道靠近煤柱側(cè)沿工作面傾向布置，見圖3.

圖3 水力壓裂切頂卸壓原理圖

3 水壓預(yù)裂切頂卸壓方案設(shè)計

3.1 參數(shù)設(shè)計

為改變堅硬頂板在此支撐點的約束條件和斷裂特性，促使采空區(qū)懸頂及時垮落,根據(jù)堅硬頂板的賦存條件，應(yīng)該促使下位3.01 m厚的石灰?guī)r頂板減小斷裂步距及早斷裂垮落，同時還應(yīng)使得其上8.72 m的石灰?guī)r部分頂板及早斷裂下沉，以防其自然斷裂失穩(wěn)引起的強(qiáng)烈礦壓顯現(xiàn)。因此，確定致裂高度為17.5 m，見圖4.

圖4 28418工作面初采初放水壓預(yù)裂致裂高度圖

3.2 孔位布置

在整個切眼及兩巷距離切眼30 m范圍內(nèi)進(jìn)行水力壓裂，見圖5.其中，在切眼內(nèi)每隔12 m布置一組鉆孔，每組包括2個，分別為孔A、孔B，鉆孔A垂直于煤壁向前施工，鉆孔仰角為45°，長度為24 m.鉆孔B平行于切眼、由副巷朝向正巷施工，鉆孔仰角為45°，長度為24 m.正巷布置3個鉆孔，副巷布置4個鉆孔，均平行于巷道朝向采空區(qū)施工，鉆孔仰角為45°.

圖5 28418工作面水壓預(yù)裂鉆孔布置圖

3.3 其它參數(shù)

鉆孔A、B、C、D直徑均為55～65 mm，每個孔壓裂4～5段，每段的壓裂時間控制在20～30 min，水壓值控制在30～50 MPa.

4 水壓預(yù)裂切頂卸壓技術(shù)效果分析

為判定水力預(yù)裂效果，從下面4個方面進(jìn)行分析：

4.1 壓裂水壓分析

通過對工作面15組施工孔及兩端頭7個施工孔，共166段壓裂段壓力進(jìn)行匯總分析，見圖6.

圖6 工作面水力壓裂水壓統(tǒng)計分析圖

從圖6可以看出：

1)無論是工作面兩個方向的預(yù)裂孔還是兩端頭的預(yù)裂孔，分析同一位置不同壓裂段水壓規(guī)律，均表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，即隨著壓段數(shù)增加，壓裂所能達(dá)到的壓力越小。由于壓裂采用從孔底壓裂一段退后一段的作業(yè)方式，說明越靠近孔口壓裂所達(dá)到的壓力越低，這是由于孔底段高壓水力壓裂后，可能在孔壁形成沿孔壁走向的裂隙，導(dǎo)致在下一段壓裂區(qū)孔壁圍巖力學(xué)性能降低，高壓水從裂隙中滲出，表現(xiàn)出壓力逐漸較低的趨勢。也就是說，出現(xiàn)這個曲線規(guī)律，即表明預(yù)裂孔壁已形成裂隙。

2)分析同一壓裂段不同位置水壓規(guī)律，無論是沿切眼方向還是沿煤壁方向，整體表現(xiàn)為有規(guī)律性的震蕩曲線，兩個較高壓力的預(yù)裂孔中間總是存在一個壓力較低的預(yù)裂孔，這是由于高壓水力預(yù)裂本孔后裂隙延伸至相鄰孔。如1組A孔預(yù)裂后，部分裂隙會傳遞至2組A孔周圍，導(dǎo)致2組A孔在預(yù)裂時無法達(dá)到高壓，也就無法在3組A孔附件形成裂隙，3組A孔在預(yù)裂時又可以達(dá)到較高壓力，以此類推，形成循環(huán)曲線。也就是說，相鄰兩個孔壁之間的圍巖已形成貫穿裂隙。

3)兩端頭壓裂孔表現(xiàn)出相同曲線特性。

4.2 鉆孔窺視分析

分別選取副巷端頭及工作面兩端、中部進(jìn)行窺孔驗證，同時建立23#架對比孔，對該鉆孔壓裂前后進(jìn)行鉆孔窺視，結(jié)果見圖7.由圖7分析可知，在13 m、16 m、18 m、21 m、23.5 m處壓裂前孔壁成孔較好，完整度高，在這5段分別進(jìn)行壓裂后在孔壁均形成沿孔壁走向裂隙，特別是16～20 m段，受高壓水沖擊，形成明顯的軸向劈裂縫隙，且貫穿形成約2.5 m長的對稱貫通裂隙，壓裂效果非常好。

圖7 23#架壓裂前后鉆孔窺視結(jié)果圖

對59#架A、B孔、111#架A孔、119#架A孔壓裂后進(jìn)行鉆孔窺視，見圖8，可觀察到所壓4個孔均出現(xiàn)走向裂隙，裂隙出現(xiàn)最明顯的地段在18～21 m，即壓裂的第二段和第三段，可見大量裂隙及淋水現(xiàn)象，裂隙以劈裂徑向裂隙為主。如59#架A孔13 m、111#架A孔15 m處等，有些環(huán)形裂隙可以看出是本孔及隔壁孔高壓水沖擊形成，如119#架A孔18 m處。

圖8 各孔壓裂后鉆孔窺視結(jié)果圖

111#架A孔形成的裂隙效果要優(yōu)于119#架A組，這兩組屬相鄰預(yù)裂孔位，根據(jù)圖6可看出，111#架A孔水壓要明顯高于119#架A孔，符合壓裂水壓分析結(jié)論。

綜上分析可得出結(jié)論：鉆孔深部圍巖較穩(wěn)定，第一段壓裂后很難形成較明顯的裂隙，主要起弱化作用，而隨第二次以上高壓預(yù)裂，裂隙逐漸增多，寬度和長度也有明顯提高。

4.3 施工期間現(xiàn)場反饋

通過現(xiàn)場觀察，約有7成以上的孔在進(jìn)行水力預(yù)裂的過程中，隔壁孔會有水流流出，表明這兩個孔之間有導(dǎo)水裂隙的存在，同時在作業(yè)過程中，會聽到頂板發(fā)生斷裂、錯位而導(dǎo)致的“隆隆”聲，這些現(xiàn)象的出現(xiàn)也從一定程度上反映出了水力預(yù)裂的現(xiàn)場效果較為理想。

4.4 頂板垮落效果

28418綜放工作面初次基本頂垮落情況見表1.由表1可以看出，當(dāng)工作面回采至20 m時基本頂即全部垮落，且在初采初放過程中表現(xiàn)出明顯來壓現(xiàn)象，通過與采用相同采煤工藝的28417綜放工作面相比較，可以看出，初次垮落步距縮短了19 m，時間提前了8天，水力壓裂效果要明顯優(yōu)于深孔爆破切頂方式。

表1 28418工作面基本頂垮落對比情況表

5 結(jié) 論

1)在綜采工作面回采期間礦壓規(guī)律分析的基礎(chǔ)上，對水力預(yù)裂切頂卸壓力學(xué)機(jī)理進(jìn)行了理論分析，研究了堅硬巖體水力壓裂裂縫開啟與擴(kuò)展規(guī)律，對水壓預(yù)裂參數(shù)設(shè)計進(jìn)行了確定，為水壓預(yù)裂技術(shù)成套應(yīng)用提供理論依據(jù)。

2)水壓預(yù)裂切頂卸壓技術(shù)在官地礦28418工作面初采初放期間成功應(yīng)用，回采至20 m時基本頂全部垮落，且在初采初放過程中表現(xiàn)出明顯來壓現(xiàn)象，使用效果良好。