呂玉磊，鄭凱歌，白俊杰

(1.烏審旗蒙大礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116；3.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710000)

頂板事故在我國煤礦事故中占有很大比重，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)[1-3]，上覆存在堅硬頂板的煤層開采期間更容易發(fā)生頂板事故。我國煤層的賦存條件復(fù)雜，上覆存在堅硬頂板的煤層約占總體的1/3，且分布在50%以上的礦區(qū)[4]。堅硬砂巖頂板普遍具有分層厚度大、強(qiáng)度高、整體性好、自穩(wěn)能力強(qiáng)等特點[5]。實踐表明，復(fù)合硬巖層對工作面礦壓顯現(xiàn)影響遠(yuǎn)大于單一硬巖層[6]，并且堅硬巖層通常是對臨近巖層運動起控制作用的關(guān)鍵層頂板，但其難以隨工作面回采而自然垮落，極易形成大面積的懸空頂板，引起沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生[7]。

眾多學(xué)者對防治堅硬頂板型沖擊地壓做了許多工作：地面直井壓裂堅硬巖層技術(shù)[8，9]可以降低堅硬巖層的完整性、減小堅硬巖層運動釋放的彈性能，為堅硬頂板型工作面安全回采提供了保障。深孔爆破技術(shù)[10-12]可以有效切斷頂板高水平應(yīng)力向工作面?zhèn)鬟f路徑，降低煤層應(yīng)力集中程度，起到了良好的卸壓效果。保護(hù)層開采工藝及負(fù)煤柱工藝[13-17]將巷道布置在頂板垮落形成的卸壓區(qū)，使巷道圍巖避免應(yīng)力集中，同時減弱受動載擾動影響程度，可以有效防治沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生。上述沖擊地壓防治工藝卸壓范圍有限、造價高，或受煤層產(chǎn)狀、地質(zhì)條件影響，適用性范圍小。而定向長鉆孔水力壓裂技術(shù)[18-21]在防治煤層瓦斯突出、瓦斯抽采、煤層增透方面取得了豐碩成果，但在沖擊地壓防治方面研究較少。

因此立足于沖擊地壓防治角度，對堅硬復(fù)合砂巖頂板的定向長鉆孔分段水力壓裂超前卸壓進(jìn)行研究，并在納林河二號煤礦現(xiàn)場應(yīng)用，對該項技術(shù)的具體參數(shù)及現(xiàn)場應(yīng)用效果進(jìn)行分析，結(jié)果證明該項技術(shù)在超前卸壓和減弱礦壓顯現(xiàn)方面效果顯著，同時該項研究也為同類復(fù)合堅硬頂板的沖擊地壓防治技術(shù)提供參考依據(jù)。

1 工程概況

納林河二號煤礦位于烏審旗納林河礦區(qū)的最南端，為典型的頂板型沖擊地壓礦井，煤層平均埋深560m，煤層頂板發(fā)育有“高-低”位復(fù)合堅硬砂巖，厚度分別為25.71m、28.56m，容易誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害[22]。低位堅硬巖層平均單軸抗壓強(qiáng)度分別為62.14MPa，抗拉強(qiáng)度為6.15MPa；高位堅硬巖層細(xì)粒砂巖平均單軸抗壓強(qiáng)度分別為75.38MPa，抗拉強(qiáng)度為9.72MPa。該復(fù)合巖層堅硬、完整性好，易形成大面積懸頂而不垮落。當(dāng)采面推進(jìn)至見方位置時，極易誘導(dǎo)采掘工作面發(fā)生沖擊地壓事故，甚至造成人員傷亡事故，嚴(yán)重影響到工作面的安全高效生產(chǎn)。

納林河二號煤礦在31104工作面開展了“一次見方”區(qū)域的“高-低”位裸眼定向超長鉆孔超前分段水力壓裂區(qū)域主動改造防治，通過區(qū)域治理有效降低沖擊危險性，減緩巷道變形，使覆巖更快趨于穩(wěn)定，有效避免沖擊災(zāi)害。

2 分段水力壓裂方案

在“高-低”位復(fù)合頂板發(fā)育條件下，低位“懸臂梁”的直接破斷釋放能量作用于下層煤巖體，同時伴隨著高位堅硬巖層的破斷，乃至協(xié)同回轉(zhuǎn)，易造成采動影響范圍內(nèi)煤巖體沖擊動力災(zāi)害，如圖1所示。煤巖體結(jié)構(gòu)改造是優(yōu)化采掘擾動下煤層堅硬頂板破斷形式，防治沖擊動力災(zāi)害的核心關(guān)鍵。

通過“高-低”位定向長鉆孔分段水力壓裂的實施，形成規(guī)?；斯ち芽p，在關(guān)鍵巖塊未發(fā)生破斷前，破斷巖塊就與已垮落矸石形成有效接觸形成砌體梁，對工作面頂板形成有效支撐。隨著開采長度的逐漸增加，頂板穩(wěn)定破斷，降低來壓步距和強(qiáng)度。高位堅硬砂巖的有效弱化，能降低堅硬巖層破斷步距，在低位巖層垮落充填支撐作用下，有效減少破斷回轉(zhuǎn)幅度和能量釋放，實現(xiàn)復(fù)合堅硬頂板沖擊地壓的協(xié)同有效治理，如圖2所示。

依據(jù)施工設(shè)計，利用西安研究院自主研發(fā)的定向鉆機(jī)進(jìn)行定向鉆孔施工，完成了31104工作面4個鉆場共計6個鉆孔的分段壓裂施工，壓裂過程中最高注水壓力35.0MPa，最大破裂壓降11.0MPa，具體情況見表1。

表1 分段壓裂施工完成情況匯總

3 頂板水力壓裂防沖效果分析

在國內(nèi)率先提出了煤礦井下定向長鉆孔裸眼分段水力壓裂“高-低”位協(xié)同超前區(qū)域防治沖擊地壓災(zāi)害的技術(shù)模式，將定向長鉆孔分段水力壓裂技術(shù)應(yīng)用于沖擊地壓災(zāi)害治理，實現(xiàn)了沖擊地壓災(zāi)害超前區(qū)域主動有效防治。通過時間、空間及強(qiáng)度三個不同維度定量評價水力壓裂壓裂效果，開發(fā)了立體綜合“時-空-強(qiáng)”治理效果評價方法體系，多方法、多手段、高精度地揭示壓裂裂縫空間展布規(guī)模和形態(tài)，有效評價了沖擊地壓災(zāi)害防治效果。

3.1 頂板定向長鉆孔分段水力壓裂防沖原理

頂板長鉆孔分段水力壓裂技術(shù)是在工作面開采前處理頂板，使其形成有利于控制礦壓顯現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。張俊文等[13]提出了結(jié)構(gòu)調(diào)控防災(zāi)新理念，認(rèn)為巖體結(jié)構(gòu)改變是應(yīng)力出現(xiàn)轉(zhuǎn)移、集中的根源，沖擊地壓災(zāi)害防治應(yīng)從調(diào)控煤巖體結(jié)構(gòu)出發(fā)，以該理念為指導(dǎo)，通過定向長鉆孔水力壓裂頂板，使其形成規(guī)律性垮斷的短懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖3所示。相對于長臂結(jié)構(gòu)：一方面，斷臂結(jié)構(gòu)垮斷時對生產(chǎn)空間的動載擾動更小；另一方面，短臂結(jié)構(gòu)造成的應(yīng)力轉(zhuǎn)移、集中程度小。

3.2 水力壓裂效果立體綜合“時-空-強(qiáng)”監(jiān)測

為了對31104工作面堅硬復(fù)合砂巖頂板的定向長鉆孔分段水力壓裂超前卸壓治理技術(shù)試驗效果治理進(jìn)行綜合立體評價，計劃按照壓裂效果綜合評價及沖擊地壓防治效果兩大板塊進(jìn)行監(jiān)測工作，如圖4所示。

3.3 壓力流量曲線監(jiān)測

在水力壓裂過程中，壓力曲線整體呈現(xiàn)明顯的鋸齒狀波動，表明微裂隙不斷在鉆孔周圍發(fā)育并拓展。壓力在波動的過程中出現(xiàn)了突然降低現(xiàn)象，表明宏觀裂隙已經(jīng)形成，當(dāng)水繼續(xù)充滿裂隙后，壓力會繼續(xù)增長并產(chǎn)生鋸齒狀波動，如圖5所示。

3.4 音頻電透視探測

音頻電透視結(jié)果顯示，壓裂后低阻異常區(qū)形成H1和H2兩個大型間隔條帶型區(qū)域，傾向上H1低阻異常區(qū)為0～250m，傾向上H2低阻異常區(qū)為80～300m，走向?qū)挾确謩e為0～100m和150～350m。低阻異常區(qū)剖面發(fā)育高度為頂板10～95m范圍。

3.5 孔內(nèi)瞬變電磁探測

3號鉆場低位孔視電阻率分布特征如圖6所示，未壓裂區(qū)域與壓裂區(qū)域視電阻率差異明顯，表明長鉆孔水力壓裂在巖層中形成了有效裂隙。通過圖中壓裂段位置與視電阻率云圖對比發(fā)現(xiàn)，各壓裂段之間視電阻率也有明顯降低，表明壓裂過程產(chǎn)生的裂隙在巖層中形成了有效溝通。從鉆孔垂向看，壓裂區(qū)域視電阻率降低范圍基本在鉆孔垂向30m左右位置達(dá)到邊界，由此可以判定壓裂影響半徑基本為垂直于鉆孔方向30m左右。

3.6 微地震監(jiān)測

將31104工作面回采150～750m過程中的微震事件收集后按照壓裂范圍劃分為兩部分區(qū)域進(jìn)行對比，分別為150～450m，450～750m。當(dāng)工作面回采0～450m范圍內(nèi)，平面微震事件最遠(yuǎn)出現(xiàn)在超前工作面前方412m處，側(cè)向最大發(fā)育距離為99m，如圖7所示；微震事件最大發(fā)育高度為工作面煤層頂板上方53m左右；31104工作面回采450～750m范圍內(nèi)，平面微震事件最遠(yuǎn)出現(xiàn)在超前工作面前方453m處，側(cè)向最大發(fā)育距離為159m，如圖8所示。與工作面壓裂區(qū)域時的微震事件分布相比，超前工作面距離增加10%，側(cè)向發(fā)育距離增加61%；微震事件最大發(fā)育高度為工作面煤層頂板上方97m左右。與工作面壓裂區(qū)域的微震事件分布相比，最大發(fā)育高度增加87%。

綜上所述，通過壓裂區(qū)域與未壓裂區(qū)域的各項微震指標(biāo)分析對比發(fā)現(xiàn)，定向長鉆孔分段水力壓裂能夠有效降低工作面回采過程中微震事件能量及頻次，極大程度上降低了一次見方區(qū)域的能量釋放強(qiáng)度，為工作面的產(chǎn)能釋放提供了牢固的基礎(chǔ)。

3.7 工作面支架阻力監(jiān)測

31104工作面支架阻力如圖9所示，根據(jù)圖9可知，31104工作面周期來壓步距由平均17.80m降至12.76m，降幅28.31%；工作面來壓液壓支架影響范圍由142架降低至88架，降幅38.03%；來壓前均值由32.022MPa降低至28.456MPa，降幅11.14%；來壓峰值由54.162MPa降低至48.206MPa，降幅11.00%；來壓均值由34.487MPa降低至30.144MPa，降幅12.59%。

與類似頂板狀態(tài)且未采取措施的31120工作面相比(如圖10所示)，平均周期來壓步距由18.24m降低至12.76m，降幅30.04%，來壓范圍由147架降低88架，降幅40.14%；來壓前均值由33.412MPa降低至28.456MPa，降幅14.83%；來壓峰值由53.239MPa降低至48.206MPa，降幅9.50%；來壓均值由33.681MPa降低至30.144MPa，降幅10.50%。

綜上所述，在實施了堅硬頂板分段水力壓裂弱化治理后，有效的降低了周期來壓步距及強(qiáng)度。

3.8 煤體應(yīng)力監(jiān)測

通過數(shù)據(jù)分析可知，31104工作面壓裂區(qū)域內(nèi)煤體淺孔應(yīng)力平均差值為1.72MPa，31103-2工作面相同區(qū)域煤體淺孔應(yīng)力平均差值為4.94MPa，31120工作面相同區(qū)域煤體淺孔應(yīng)力平均差值為4.30MPa。31104工作面應(yīng)力平均差值較31103-2工作面降低了65.2%，較31120工作面降低了65.7%(如圖11所示)。31104工作面壓裂區(qū)域煤體深孔應(yīng)力平均差值為1.80MPa，31103-2工作面相同區(qū)域煤體深孔應(yīng)力平均差值為6.47MPa，31120工作面相同區(qū)域煤體深孔應(yīng)力平均差值為5.92MPa。31104工作面深孔煤體應(yīng)力平均差值較31103-2工作面降低了65.9%，較31120工作面降低了62.8%(如圖12所示)。結(jié)果表明，在實施了堅硬頂板分段水力壓裂弱化治理后，有效的降低了煤體內(nèi)部應(yīng)力波動幅度，降低了煤體沖擊風(fēng)險。

3.9 巷道圍巖變形監(jiān)測

巷高變形量如圖13所示，根據(jù)圖13可知，回風(fēng)巷道在一次見方和二次見方處的巷道高度變化量分別為292mm，733mm，高度變化量增加了151%。巷寬變形量如圖14所示，根據(jù)圖14可知回風(fēng)巷道在一次見方和二次見方處的巷道寬度變化量分別為479mm，644mm，高度變化量增加了34%。結(jié)果表明，定向長鉆孔分段水力壓裂能夠有效減緩巷道變形，有利于維持巷道支護(hù)效果。

3.10 地表沉降監(jiān)測

31104工作面水力壓裂區(qū)域的地表下沉量最大值超過了2000mm，在回采進(jìn)尺相似前提下，較31103-2工作面增加了172%，較31120工作面增加302%，如圖15所示；31104工作面地表日最大下沉速率較31103-2工作面增加了329%，較31120工作面增加175%，如圖16所示。綜上，水力壓裂有效破壞壓裂范圍內(nèi)的巖層承載能力，使其能夠充分垮落，令上覆巖層更快達(dá)到充分采動狀態(tài)，降低上覆巖層懸頂達(dá)到極限跨距后突然失穩(wěn)對工作面形成動載荷的風(fēng)險。

4 結(jié) 論

1)針對納林河二礦煤層復(fù)合堅硬頂板引發(fā)的沖擊地壓災(zāi)害問題，在鄂爾多斯礦區(qū)首次采用煤礦井下定向長鉆孔分段壓裂的方法開展超前區(qū)域弱化解危治理，首創(chuàng)提出了煤礦井下定向長鉆孔“高—低”位協(xié)同裸眼分段水力壓裂超前區(qū)域防治沖擊地壓災(zāi)害技術(shù)模式，工程實踐證明防治效果顯著?；诿旱V井下多點拖動式裸眼分段壓裂成套裝備，形成了煤礦井下復(fù)合堅硬頂板超長鉆孔分段壓裂區(qū)域弱化解危工藝技術(shù)。

2)壓裂效果及影響范圍探測結(jié)果表明：在壓裂過程中能夠在巖體內(nèi)部形成宏觀裂隙與微觀裂隙溝通的立體縫網(wǎng)，工作面走向上明顯低阻區(qū)域最大位切眼100～370m范圍，沿工作面傾向上明顯低阻區(qū)域最大為80～300m范圍。剖面上橫向10～95m范圍。壓裂影響半徑基本為垂直于鉆孔方向30m左右。

3)通過對沖擊地壓各項影響指標(biāo)統(tǒng)計分析，結(jié)果表明：在實施了堅硬頂板分段水力壓裂弱化治理后，上覆巖層能夠充分垮落，使其更快達(dá)到充分采動狀態(tài)，降低上覆巖層懸頂達(dá)到極限跨距后突然失穩(wěn)對工作面形成動載荷的風(fēng)險，極大程度上降低了采動影響區(qū)域能量釋放強(qiáng)度、周期來壓強(qiáng)度和煤體內(nèi)部超前應(yīng)力峰值，有效減緩巷道變形。