范雙斌

(潞安化工集團(tuán) 五里堠煤礦，山西 晉中 032600)

1 工程概況

山西潞安集團(tuán)司馬煤業(yè)有限公司1209工作面位于1208工作面采空區(qū)西側(cè)，西側(cè)和南側(cè)為井田邊界，北側(cè)依次為二采區(qū)集中膠帶巷里段、二采區(qū)集中軌道巷里段、二采區(qū)集中回風(fēng)巷里段及1213工作面未采區(qū)。1209工作面切眼設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為201.174 m(中-中)，寬為7.8 m，高為3.2 m，斷面積為24.96 m2.1209工作面切眼及風(fēng)巷、運(yùn)巷均沿3號(hào)煤層底板掘進(jìn)，3號(hào)煤層厚度約為6.05 m，煤層直接頂和偽頂多為泥巖，厚度較小，老頂為中粗粒長(zhǎng)石砂巖，厚度較大，巖石強(qiáng)度高，節(jié)理裂隙不發(fā)育，工作面初次期間大面積懸露在采空區(qū)，短期內(nèi)不垮落；一旦垮落，一次垮落的面積大、高度大，有強(qiáng)烈的周期性來(lái)壓，來(lái)壓時(shí)有明顯的動(dòng)力現(xiàn)象，常造成支護(hù)設(shè)備損壞，危及人身安全等惡性事故。水力壓裂可有效弱化堅(jiān)硬頂板、破壞其完整性，削弱頂板的強(qiáng)度和整體性，使采空區(qū)頂板能夠分層分次垮落，縮短初次來(lái)壓和周期來(lái)壓步距，達(dá)到減小或消除堅(jiān)硬頂板對(duì)工作面回采危害的目的?；谝陨媳尘?，擬對(duì)司馬煤業(yè)1209工作面實(shí)施水力壓裂初次放頂研究，以期得到司馬煤業(yè)工作面初次放頂處理方法，提升工作面頂板管理水平(圖1).

圖1 3號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性特征

2 頂板裂隙發(fā)育情況實(shí)測(cè)

為掌握司馬煤業(yè)1209工作面頂板巖層破碎情況，在1209切眼采用鉆孔窺視法觀測(cè)頂板巖層內(nèi)部裂隙發(fā)育情況，共布置5個(gè)測(cè)站，測(cè)站間距50 m，測(cè)站布置如圖2(a)所示，每個(gè)測(cè)站布置兩個(gè)頂板窺視鉆孔，鉆孔直徑34 mm，鉆孔垂直深度16 m，根據(jù)ZKXG30 鉆孔探測(cè)儀視頻圖像對(duì)巖層不同深度裂隙發(fā)育情況進(jìn)行描繪，通過(guò)AutoCAD 軟件將裂隙發(fā)育情況進(jìn)行還原，得到1209切眼上方巖層內(nèi)裂隙發(fā)育情況如圖2(b)所示。

根據(jù)圖2(b)所示頂板裂隙發(fā)育情況可以看出，煤層頂板淺部巖層0～0.5 m深度范圍內(nèi)裂隙發(fā)育，裂隙發(fā)育范圍大，基本貫穿于整個(gè)工作面；頂板巖層深度1～4 m范圍內(nèi)存在2處裂隙，但發(fā)育程度不高，且范圍減?。还ぷ髅嫔戏綆r層深度4～16 m范圍內(nèi)共存在8處明顯的裂隙，但裂隙發(fā)育程度均較低。綜上可知，1209工作面泥巖直接頂巖層內(nèi)裂隙發(fā)育或較發(fā)育，厚度為0～1.78 m，中粗粒長(zhǎng)石砂巖老頂巖層內(nèi)裂隙發(fā)育程度較低、數(shù)量少、范圍小，老頂屬于裂隙不發(fā)育、致密性較強(qiáng)巖層，為避免初采階段發(fā)生強(qiáng)礦壓事故，需采取合理的堅(jiān)硬頂板控制措施。

3 1209工作面水力壓裂方案設(shè)計(jì)

3.1 壓裂鉆孔設(shè)計(jì)

對(duì)于采場(chǎng)堅(jiān)硬頂板的控制方法存在兩種截然不同的理念[1-2]，一是提高頂板巖層的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，煤層回采期間保障頂板穩(wěn)定不冒，安全采出煤炭資源；二是降低采場(chǎng)頂板巖層的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，促使其在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)垮落，將煤層采出的空間填充，維護(hù)采場(chǎng)空間安全。第一種理念常用方法有煤柱支撐法、采空區(qū)充填法，第二種常用方法包括深孔預(yù)爆破弱化頂板法、水力壓裂法等，結(jié)合1209工作面開(kāi)采技術(shù)條件，應(yīng)采用強(qiáng)制放頂措施，確定采用水力壓裂法進(jìn)行頂板弱化(圖3)。工作面初采階段，在工作面回采前首先對(duì)工作面老頂堅(jiān)硬難跨巖層進(jìn)行弱化，保障老頂在工作面回采適當(dāng)距離后垮落，防止工作面出現(xiàn)大面積來(lái)壓現(xiàn)象，危脅礦井生產(chǎn)安全。壓裂高度對(duì)于預(yù)裂效果至關(guān)重要，壓裂后垮落巖層的厚度應(yīng)將采空區(qū)基本充填，且應(yīng)將堅(jiān)硬老頂全部進(jìn)行弱化，根據(jù)“上三帶”理論，1209工作面頂板為堅(jiān)硬巖層，垮落帶高度[3]：

(1)

3402工作面采高為6.05 m，得其垮落帶高度4.73 m，老頂最大高度(距采煤工作面頂板)為25.68 m，因此水力壓裂垂直高度應(yīng)不小于26 m.結(jié)合1209工作面實(shí)際地質(zhì)及開(kāi)采技術(shù)條件，設(shè)計(jì)采用4種鉆孔對(duì)采場(chǎng)頂板進(jìn)行弱化，鉆孔開(kāi)口處位于1209切眼及兩側(cè)巷道頂角處，切眼范圍內(nèi)布置L型鉆孔11個(gè)、S型鉆孔12個(gè)，1209運(yùn)巷內(nèi)布置S'型鉆孔3個(gè)，1209風(fēng)巷端頭附近布置S"型鉆孔3個(gè)，鉆孔進(jìn)尺總計(jì)：440 m(11個(gè)L孔)+480 m(12個(gè)S孔)+120 m(3個(gè)S'孔)+120 m(3個(gè)S"孔)=1 160 m.壓裂鉆孔布置如圖3所示。

3.2 鉆孔注水壓裂

根據(jù)頂板巖層地應(yīng)力場(chǎng)及巖層強(qiáng)度，可采用下述經(jīng)驗(yàn)公式初步確定裂縫起裂壓力[4]：

Pb=3smin-smax+st

(2)

式中，Pb為頂板巖層裂縫起裂壓力，參照2020年進(jìn)行的距1209工作面較近的三采區(qū)地質(zhì)力學(xué)測(cè)試結(jié)果，頂板巖層內(nèi)最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分別為8.85 MPa、6.98 MPa，σt=16.54 MPa，由公式(2)可計(jì)算得到頂板巖層裂縫起裂壓力應(yīng)不小于28.63 MPa，由于巖層內(nèi)裂隙在水壓作用下延展發(fā)育過(guò)程中，水壓會(huì)有一部分濾失以及變向，因此水壓應(yīng)保留一定的富余量，因此確定高壓注水壓力為30～40 MPa，注水流量90 L/min.壓裂鉆孔采用ZDY650 型礦用鉆機(jī)平臺(tái)施工，鉆孔封孔采用FKss-45/40 型雙向孔器，利用手動(dòng)液壓泵對(duì)封孔器加壓，封孔器及手動(dòng)加壓泵如圖4所示，L型鉆孔壓裂8次，其余類(lèi)型鉆孔壓裂10次，每3 m起裂一次。

4 應(yīng)用效果及經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1 工作面初采礦壓分析

當(dāng)工作面運(yùn)巷推進(jìn)至24.8 m、風(fēng)巷推進(jìn)35.2 m時(shí)，根據(jù)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示及現(xiàn)場(chǎng)情況看：工作面后半部頂板開(kāi)始來(lái)壓，具體表現(xiàn)為工作面整體壓力大，有響頂炮現(xiàn)象，多數(shù)支架安全閥冒液，117號(hào)～125號(hào)支架有淋水，當(dāng)日八點(diǎn)班回風(fēng)流瓦斯達(dá)到0.78%，分析是老頂初次來(lái)壓開(kāi)始顯現(xiàn)。根據(jù)液壓支架循環(huán)末阻力監(jiān)測(cè)結(jié)果，整理得到支架工作阻力變化規(guī)律如圖5所示，此次老頂初次步距為30～40 m左右，在正常范圍內(nèi)，老頂初次來(lái)壓強(qiáng)度不是很大，不影響工作面正常回采作業(yè)。通過(guò)對(duì)巷道離層儀進(jìn)行觀測(cè)，并對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，在1209工作面初采期間巷道頂板無(wú)明顯離層。通過(guò)對(duì)1209工作面巷道表面位移測(cè)站觀測(cè)，巷道在初采期間無(wú)明顯變形。

4.2 水力壓裂與爆破預(yù)裂頂板工藝對(duì)比

1209工作面初采期間，頂煤、直接頂、老頂垮落步距比1208、1213工作面均有提前，且頂板整體性垮落。從頂板垮落情況比較，水力壓裂比爆破預(yù)裂頂板效果明顯，具體見(jiàn)表1.

表1 1208、1213、1209工作面初采期間頂板垮落情況對(duì)比

1209工作面水力壓裂使用費(fèi)用為29萬(wàn)元，1208工作面爆破預(yù)裂使用費(fèi)用34.6萬(wàn)元，1213工作面爆破預(yù)裂使用費(fèi)用36.8萬(wàn)元，通過(guò)與爆破預(yù)裂工藝處理堅(jiān)硬頂板工藝花費(fèi)可知，水力壓裂所需費(fèi)用較低，經(jīng)濟(jì)效益更好。水力壓裂不僅可以降低采場(chǎng)堅(jiān)硬頂板的完整性和強(qiáng)度，同時(shí)能夠?qū)⒁徊糠炙朊簩雍蛶r層，可降低工作面回采及頂板垮落引起的巖塵、煤塵量，降低煤層的強(qiáng)度，節(jié)約截齒消耗量，并對(duì)防止采空區(qū)遺煤自燃有利。爆破預(yù)裂：該方法存在自身的不足和局限性，存在“啞炮”、“拒爆”等安全隱患，并且工程量、所需炸藥量大、成本高、污染風(fēng)流等問(wèn)題，且高瓦斯礦井需采取防止瓦斯或煤塵爆炸的措施；綜上分析，使用水力壓裂技術(shù)對(duì)頂板進(jìn)行深孔預(yù)裂比傳統(tǒng)爆破預(yù)裂技術(shù)更加有效、經(jīng)濟(jì)、安全。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 司馬煤業(yè)1209工作面頂板巖層內(nèi)裂隙發(fā)育程度較低，老頂屬于裂隙不發(fā)育、致密性較強(qiáng)巖層，初次來(lái)壓時(shí)預(yù)計(jì)工作面及回采巷道內(nèi)將出現(xiàn)劇烈的礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。

2) 1209工作面初采頂板預(yù)裂垂直高度應(yīng)不小于25.6 m，結(jié)合具體地質(zhì)及開(kāi)采技術(shù)條件，設(shè)計(jì)一套適用于1209工作面的水力壓裂切頂技術(shù)方案。

3) 1209工作面進(jìn)行水力壓裂頂板弱化技術(shù)后，初采期間老頂初次來(lái)壓步距30.4 m，來(lái)壓步距合理，工作面及回采巷道未出現(xiàn)強(qiáng)礦壓現(xiàn)象，水力壓裂技術(shù)從預(yù)裂效果、經(jīng)濟(jì)、安全三個(gè)方面均由于傳統(tǒng)的爆破預(yù)裂技術(shù)，應(yīng)在后續(xù)工作面推廣使用。