溫忠強

(山西介休義棠城峰煤業(yè)有限公司，山西 介休 032000)

千萬噸級礦井生產(chǎn)過程中，為了降低煤炭損失及減少搬家倒面的次數(shù)，回采巷道的長度在3 000～7 000 m左右，工作面推進方向超長。因此，為了保證采掘順利接續(xù)，同時又避免已掘的巷道放置時間過長，往往在上一工作面回采的同時，開始進行下一個工作面巷道的掘進，這使得回采工作面和掘進工作面迎頭相遇的情況越來越普遍。伴隨著采掘交鋒問題的突出，迎采巷道大變形、支護部分失效，甚至局部冒頂?shù)膯栴}也愈加突出，這對礦井的安全高效生產(chǎn)造成了嚴重影響。

山西馬蘭礦18106工作面和18104工作面相鄰，煤柱的留設寬度為20 m，且煤柱上方近距離存在一層厚硬的中粗砂巖。18106掘進工作面與18104回采工作面相向施工時，在掘進工作面前后會經(jīng)歷兩次應力時段產(chǎn)生強烈震感，第一次是由于超前支撐壓力的作用，導致掘進巷道出現(xiàn)應力集中，第二次則為工作面采空區(qū)頂板會彎曲下沉導致靠采空區(qū)側的壓力瞬間釋放，通過現(xiàn)場研究表明，掘進工作面和回采工作面相遇時會造成頂板的二次擾動，這是導致掘進巷道出現(xiàn)大面積破壞的主要原因，所以，實施頂板水力壓裂是解決掘進巷道變形問題的根本措施。

1 工作面概況

1.1 地質條件

山西馬蘭礦位于山西省古交市以東，距古交市區(qū)約14 km，行政區(qū)劃屬古交市管轄。批準開采02～9號煤層，生產(chǎn)能力為90萬t/a，井田面積為18.250 5 km2，東西長約4.8 km，南北寬約4 km，標高為+820～+430 m，目前主要開采2號、8號煤層，2號煤層厚0.50～2.60 m，平均1.64 m，8號煤層厚度1.40～2.11 m，平均1.83 m。礦井采煤工作面采用傾斜長壁后退式一次采全高開采，頂板管理為全部垮落法；采煤工藝為綜合機械化開采，掘進工藝為綜合機械化掘進，采掘巷道采用錨網(wǎng)索鋼帶支護，開拓巖巷采用錨網(wǎng)索噴漿支護。

根據(jù)相關資料可知，18104工作面主采8號煤層對應的標高為+765 m；蓋山厚度變化區(qū)間為195～400 m，除過北部區(qū)外，其他各部都為實煤區(qū)。其可采走向長為3 337.8 m，對應的煤層傾角均值為8.8°。

根據(jù)18104工作面的地質狀況可知，煤層的厚度變化區(qū)間為3.00～7.50 m，普氏硬度系數(shù)為3；老頂為各粒度的砂巖，厚度均值為11.97 m；直接頂為泥巖，厚度均值為2.45 m，兩種頂?shù)钠帐嫌捕认禂?shù)分別為6和4。表1顯示出巖層的力學參數(shù)。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

1.2 開采技術條件

18104工作面在采煤過程中選擇了一次采全高采煤方法，且基于全部垮落法對頂板進行管理控制。根據(jù)相關資料可知，采高為5.2 m，循環(huán)進度0.8 m。相應的膠帶巷全長4 016 m，橫截面為矩形，巷道寬度5.8 m，高3.8 m。而對應的材料巷參數(shù)基本上相一致，且在支護時都選擇錨桿、錨索、鋼帶聯(lián)合支護形式，對底板通過C25混凝土進行硬化，厚度為20 cm。

2 堅硬頂板水力壓裂技術可行性

2.1 技術可行性分析

中國礦業(yè)大學研制出的63 MPa井下煤巖體水力致裂成套技術與裝備已經(jīng)在神東礦區(qū)、同煤集團塔山煤礦、同忻煤礦等多礦進行了應用，技術方案中涉及的封孔器、封隔器、安裝桿和水力致裂測控儀等礦大專利產(chǎn)品設備制造工藝成熟，可滿足不同現(xiàn)場條件的要求。

通過現(xiàn)場實地調研，收集并分析18104工作面、18106工作面頂板的相關資料，結合相關案例，認為18104工作面材料巷上方的堅硬頂板水力壓裂弱化控制技術可行。后續(xù)還需要對堅硬頂板水力壓裂進行實驗室分析測試和水壓裂縫的數(shù)值模擬，為現(xiàn)場水力壓裂施工參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

2.2 技術工藝

水力壓裂具體情況如圖1所示，壓裂系統(tǒng)的組成單元包括高壓泵、封隔器、安裝桿和監(jiān)控系統(tǒng)。所有的設備都可重復使用，長期消耗率也處于較低水平，初次一次性投入不大。

圖1 水力壓裂工藝示意

3 水力壓裂切頂卸壓技術研究

3.1 技術原理

工作面回采產(chǎn)生的動壓主要是由覆巖中的厚硬中粗粒砂巖的破斷失穩(wěn)引起，而且其影響區(qū)集中在工作面后方60 m范圍，該堅硬巖層在采空區(qū)一定范圍的持續(xù)活動和在巷道煤柱側的懸頂附加載荷，將造成迎采動巷道圍巖的持續(xù)不穩(wěn)定。因此，為了減小迎采巷道動壓的影響，需要對該厚硬中粗粒砂巖進行水力預裂，破壞其完整性，弱化其力學性能，促使其斷裂卸壓。水力壓裂切頂卸壓的原理如圖2所示。

圖2 水力壓裂切頂卸壓原理

3.2 試驗地點及范圍

18104回采工作面和迎采動巷道位置如圖3所示，在18108材料巷進行水力壓裂現(xiàn)場試驗，施工區(qū)域位于采動超前影響區(qū)外100 m范圍內。

圖3 回采工作面和迎采動巷道位置

3.3 試驗方案

堅硬頂板水力預裂鉆孔布置如圖4所示。在18104材料巷內向上施工鉆孔，鉆孔施工貫穿堅硬頂板。為了快速施工，采用了錨索鉆孔，鉆孔長度為12 m，鉆孔直徑為42 mm，采用配套的小孔徑封隔器進行分段壓裂。由于堅硬頂板的厚度較大，因此需要多層壓裂，考慮到分段距離會導致裂縫的貫通，一般不小于1.5 m，確定分段距離為2 m，即12 m厚的老頂分為4段壓裂。為了保證掘進巷道在水力壓裂過程中能實現(xiàn)充分壓裂，使得裂縫更為發(fā)育，因此，利用單排布置壓裂鉆孔，豎直向上施工，貼煤柱幫施工，開孔位置距離300～500 mm，深度12 m，間距7 m，施工2～3個，施工位置在第一到第二超前支架范圍內(靠近泵的超前架)。在實際的施工過程中，由于各方面因素影響，頂板條件會改變，這樣鉆孔長度、間距相關的數(shù)據(jù)，也需要基于施工和壓裂狀態(tài)而進行一定調整。

圖4 堅硬頂板水力壓裂鉆孔布置

為使得水力壓裂時裂縫的數(shù)量增加，在設計壓裂模式時選擇了大排量壓裂，泵排量設置為200 L/min。根據(jù)勘探資料可知，中粗砂巖頂板的強度大，設定抗拉強度為6～8 MPa?；?00 m埋深進行分析而確定出地應力，為8～12 MPa，在富余系數(shù)設定為2倍條件下，需要的泵壓為40 MPa。

3.4 水力壓裂實施中的注意事項

1) 在進行水力壓裂時，應該隨時觀測壓力變化，當壓力變化異常時，應該立即停止水力壓裂施工，隨之進行檢查。

2) 在水力壓裂期間，高壓管路與行人應該保持一定距離，防止出現(xiàn)安全事故。

3) 水力致裂期間，應該設立警戒線，無關人員嚴禁進入施工區(qū)域。

4) 水力致裂施工結束后，警戒人員保持警戒，打開泄壓閥，確保管路泄壓完成后，再拆開管路，拆除封孔器和安裝桿。

5) 水力致裂施工期間要有專門的安全員負責檢查，所有水力致裂人員都要保持高度的警惕，要有強烈的責任心，認真觀察做好記錄。

3.5 效果分析

為全面檢測工作面切頂護巷的效果，及時掌握巷道圍巖變化情況，在18104材料巷地點進行了全面礦壓觀測(主要包括巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平?，錨桿、錨索受力監(jiān)測等)。在18104工作面回采過程中，由于工作面回采超前應力的影響，18104材料巷錨桿、錨索受力逐漸增加，巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平恳策_到最大值。當18104工作面停采線位置采用切頂卸壓技術后，錨桿、錨索受力減小，并隨著工作面回采空間經(jīng)老頂來壓形成基本穩(wěn)定結構后，錨桿、錨索受力情況基本恢復原水平，巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平恳嘹呌诜€(wěn)定，達到了原設計工作面切頂卸壓護巷的目的。

4 結 語

在18104材料巷實施水力壓裂技術，通過一段時間的觀測，與實施水力前進行對比，采掘交鋒前后，巷道變形明顯減小，工作面推過后，巷道無后續(xù)大變形。水力壓裂方案實施后，頂煤能夠及時垮落，回收率顯著提高。