武文浩

山西焦煤西山煤電鎮(zhèn)城底礦 山西 太原 030200

我國煤炭雖然儲(chǔ)量豐富但賦存條件較為復(fù)雜，近四成的煤層存在堅(jiān)硬頂板。堅(jiān)硬頂板是指煤層上方直接賦存或在厚度較薄的直接頂上方存在的堅(jiān)硬巖層，其主要特點(diǎn)為硬度大、整體性好、分層厚度大等。堅(jiān)硬頂板的存在會(huì)對(duì)礦山的開采造成嚴(yán)重的影響。由于堅(jiān)硬頂板極難垮落，隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，巷道頂板形成大面積的懸頂，懸頂一旦垮落會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊載荷，造成采空區(qū)的瓦斯涌出，發(fā)生瓦斯爆炸事故。鎮(zhèn)城底礦綜采工作面留巷巷道在強(qiáng)烈動(dòng)壓影響下出現(xiàn)頂板沉降明顯、兩幫收縮量和底鼓量顯著增加、錨桿索發(fā)生破斷等問題，巷道需要反復(fù)巷修才能維持正常使用，同時(shí)順槽巷道懸頂現(xiàn)象明顯，影響工作面安全回采。為了解決巷道變形以及工作面上隅角懸頂問題，采用在煤柱側(cè)順槽巷道進(jìn)行水力壓裂的方式提前切頂，切落煤柱上方懸臂梁，剪斷頂板巖梁應(yīng)力的傳遞，減小巷道所受應(yīng)力，消除懸頂現(xiàn)象，有效解決了動(dòng)壓影響留巷巷道大變形和懸頂問題。

1 礦井概況

鎮(zhèn)城底礦位于西山煤田西北處，井田面積約16.63km2，年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為190萬t。22305工作面開采的3#煤層平均厚度3.91m，平均傾角為4.6°； 煤層頂板以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主，局部含有軟弱夾層，層理裂隙發(fā)育。22305 綜采工作面，煤層厚度 5.52 m，平均傾角 4°；走向長 1714.9 m、傾斜長 220.7 m，面積378470.7 m2。工作面東部為相鄰工作面采空區(qū)，西部為22301工作面采空區(qū)，北部無工作面，南部22302工作面采空區(qū)。22305巷為一次使用順槽巷道，巷道懸頂上隅角瓦斯聚集，影響工作面安全回采，22305 巷為留巷巷道，受工作面回采動(dòng)壓影響，巷道變形較大，影響正常使用22305 巷斷面為矩形，寬×高=5.2 m×3.9 m。

2 工作面水力壓裂設(shè)計(jì)方案

2.1 水力壓裂設(shè)備

采用切槽鉆頭在巖層中預(yù)制橫向切槽，切槽鉆頭外徑為 54 mm，鉆孔直徑為 56 mm。根據(jù)井下現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件，采用跨式膨脹型封隔器進(jìn)行水力壓裂封孔，封隔器由彈性膜、鋼套、鋼管以及膨脹介質(zhì)通道組成，封隔器的封孔膨脹介質(zhì)為水、彈性膜為橡膠材料。使用 3ZSB80/62-90 型高壓水泵進(jìn)行注水增壓壓裂?？缡脚蛎浶头飧羝鞣饪资疽鈭D如圖1所示。

圖1 跨式膨脹型封隔器封孔示意圖

2.2 水力壓裂參數(shù)

水力壓裂高度與老頂回轉(zhuǎn)變形的巖梁層位有關(guān)，依據(jù)公式計(jì)算老頂巖層厚度。

式中：Hi為由下而上第i層老頂巖層的厚度，m；H'i為由下而上第i層老頂分層的厚度，m；M為煤層采高，m；Ki為巖石碎脹系數(shù)，取1.15-1.33；Kz為巖石碎脹系數(shù)，取 1.33-1.5；h為直接頂厚度，m。 將22305工作面地質(zhì)力學(xué)參數(shù)代入公式，計(jì)算出第2層老頂巖梁，即 6.10m砂質(zhì)泥巖為巖層裂隙帶巖層，因此壓裂鉆孔垂直深度應(yīng)在6.10m 以上，并盡可能加深鉆孔深度以確保效果。

根據(jù)22305工作面地質(zhì)構(gòu)造情況及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選擇22305 巷道350 m 為試驗(yàn)區(qū)域，煤柱側(cè)巷幫距離皮帶 2.4-3 m。為避免工作面施工干擾，水力壓裂鉆孔施工與壓裂作業(yè)應(yīng)在瓦斯抽采鉆孔施工前進(jìn)行，先進(jìn)行水力壓裂作業(yè)，后施工瓦斯抽采鉆孔。在223051 巷行人側(cè)布置兩排水力壓裂鉆孔，鉆孔布置如圖2所示，采用深淺孔交錯(cuò)布置，深淺孔間距 5 m。第一排鉆孔為淺孔，布置在煤柱頂部與頂板的連接處，鉆孔參數(shù)為直徑 56 mm，長度 16 m，間距10 m，仰角 70°，垂直煤幫施工；第二排鉆孔為深孔，開孔位置距離煤柱 1～2 m，鉆孔參數(shù)為直徑 56 mm，長度 60 m，間距 10 m，仰角 70°，鉆孔與巷道軸線方向夾角 5°。

圖2 22305 工作面水力壓裂鉆孔布置平面圖

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果分析

為分析水力壓裂對(duì)巷道圍巖變形的控制效果，在未進(jìn)行壓裂段巷道和水力壓裂段巷道分別布置表面位移測(cè)站，觀測(cè)結(jié)果顯示：未采用水力壓裂技術(shù)時(shí)，巷道在工作面回采后以兩幫收縮為主，兩幫平均移近量為 554.5 mm，頂?shù)装迤骄平繛?463.5 mm。采用水力壓裂技術(shù)后，巷道在工作面回采后兩幫平均移近量減小為 328.33 mm，頂?shù)装迤骄平繙p小為 140 mm。

由此可見，采用水力壓裂技術(shù)后，22305 巷道圍巖變形得到很好的控制，試驗(yàn)效果明顯。分析水力壓裂施工后工作面機(jī)頭側(cè)周期來壓的變化情況，并以此了解工作面懸頂面積的變化，機(jī)頭側(cè)支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)見表 1。

通過對(duì)比分析機(jī)頭支架未壓裂段與壓裂段來壓數(shù)據(jù)可知，未壓裂段周期來壓步距為 20.2 m，壓裂段周期來壓步距為 18.88 m，水力壓裂后機(jī)頭側(cè)周期來壓步距減小 1.3 m 左右。水力壓裂切頂后，工作面機(jī)頭側(cè)整體工作阻力降低，說明壓裂切頂減小了工作面上隅角頂板懸頂面積，較好地解決了采空區(qū)上隅角懸頂問題，避免了上隅角瓦斯集聚給工作面回采帶來的安全隱患，為動(dòng)壓條件下復(fù)雜困難巷道圍巖控制技術(shù)提供了新的科學(xué)依據(jù)。

表1 機(jī)頭支架壓裂前后阻力數(shù)據(jù)比較

4 結(jié)論

（1）通過實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)力差的增大，巖石起裂的裂縫寬度及液體流速均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

（2）通過模擬分析發(fā)現(xiàn)，隨著水平應(yīng)力差的增大，水平應(yīng)力差對(duì)巖石起裂的約束作用增大，巖石的起裂偏轉(zhuǎn)角逐步增大。