郭軍鵬

（山西安煤礦業(yè)設計工程有限公司，山西 太原 030006）

我國多個礦區(qū)的開采經(jīng)驗表明，淺埋煤層回采過程中，工作面礦壓顯現(xiàn)反而更加強烈。由于煤層埋深淺，采場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)。當頂板巖層堅硬時，極易形成整體式切落，造成頂板事故[1-3]。不少學者[4-7]都對淺埋煤層進行了研究，得出了淺埋煤層覆巖運動規(guī)律。我國學者石平五[8]研究了覆巖裂隙對頂板下沉的影響；黃慶享[9]提出了工作面支護強度的估算方法；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，因此對其支護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，對水壓致裂技術(shù)應用于堅硬頂板的致裂、軟化效果進行研究。

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 號煤層，井下標高+742～+817 m，地面標高+920～+971 m，煤層賦存深度約為178～154 m。工作面對應的地表為耕地、山林等，無建筑、河流及其它設施。15112 綜采工作面北部為15113準備工作面，東部為保安煤柱，南部為15111 采空區(qū)，西部為15104 運輸巷。工作面長度145.5 m，運輸巷走向長度1 235 m，回風巷走向長度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性見圖1。

圖1 煤層柱狀圖

2 堅硬頂板處理措施

通過地質(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11.6 m，其抗壓強度約為40 MPa，巖性較為堅硬。按照以往的經(jīng)驗，工作面回采后堅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)對上覆K2石灰?guī)r進行致裂，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)不僅可以切斷應力的傳遞路徑，迫使應力集中區(qū)域向煤巖體深處轉(zhuǎn)移，改善巷道圍巖力學環(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)，起到強制放頂?shù)淖饔?，避免懸頂面積過大而引發(fā)頂板事故。

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

圖2 水力壓裂

水力壓裂過程主要包括封孔、壓裂、注水、監(jiān)測等工序，施工流程見圖3。

（1）采用橫向切槽的特殊鉆頭，預制橫向切槽，見圖3（a）。

（2）利用手動泵為封隔器加壓使膠筒膨脹，達到封孔目的，見圖3（b）。

（3）連接高壓泵實施壓裂，見圖3（c）。

圖3 施工流程

3 工業(yè)性試驗

對15112 回風巷頂板K2石灰?guī)r層進行水壓致裂，頂板水力壓裂過程包括封孔、高壓水壓裂、保壓注水、壓裂監(jiān)測等主要工序。預裂縫起裂后水壓會有所下降，繼而進入保壓階段，在這個階段，裂紋擴展的同時伴隨著新裂紋的產(chǎn)生，利用流量計監(jiān)測流量及注入的水量，保證頂板巖層充分弱化和軟化。壓裂過程中觀察壓裂孔周圍頂板出水情況，壓裂時間一般不少于30 min。考慮到水壓裂縫產(chǎn)生后可能會形成“水楔效應”，對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木垛等方式對超前支護段（致裂段）進行補充加強支護。

為分析水壓致裂的卸壓效果，在15112 回風巷選取300 m試驗段進行對比分析，沿工作面走向?qū)⒃囼灦蝿澐譃? 段，前100 m試驗段不進行水壓致裂，作為對比段；中間100 m進行水壓致裂，對水壓致裂設備進行調(diào)試，以便達到最佳效果，作為過渡段；最后100 m同樣進行水壓致裂為實驗段，見圖4。

圖4 試驗段分段

采用“十字布點法”對各段的頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平窟M行監(jiān)測，其中對比段、過渡段、實驗段頂?shù)装逡平恳妶D5（a），兩幫移近量見圖5（b）。

圖5 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)

根據(jù)圖5可知，對比段、過渡段、實驗段最大頂?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。與對比段相比，過渡段的頂?shù)装逡平糠逯到档土?4.1%，兩幫移近量峰值降低了31.4%；實驗段的頂?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)過現(xiàn)場試驗發(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，切斷應力的傳遞路徑，使應力集中區(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。同時水壓致裂還可起到軟化頂板巖層的效果，經(jīng)過水壓致裂的過渡段和實驗段，在工作面回采后基本可以實現(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，切斷應力的傳遞路徑，使應力集中區(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)場試驗結(jié)果表明，水壓致裂對覆巖軟化作用明顯，工作面采后5 m采空區(qū)頂板巖層即可自然垮落。