水壓致裂堅硬頂板在“雙系”煤層中的應用

馮 杰

0 引言

水壓致裂技術已被國內外在單鉆孔內測量平面應力場及石油與天然氣開采中得到廣泛應用，但對于煤礦生產中的應用存在單一性，目前水壓致裂技術在煤礦生產中僅局限于地應力測量的測試技術[1]。我們將水壓致裂技術與煤礦生產相結合，成功應用于煤礦“雙系”煤層中水壓致裂堅硬頂板。

以塔山井田石炭二疊系山4#和2#煤層為例，在實際開采過程中，頭、尾順槽端頭滯后懸板難以垮落，懸板面積大于《煤礦安全規程》中規定的5×10 m2，需要進行人工強制放頂作業（深孔爆破）。由于山4#和2#煤層瓦斯賦存含量高、濃度大，初采期間，多次發生瓦斯傳感器報警及斷電現象，嚴重威脅工作面安全生產。而對高瓦斯礦井綜采工作面煤層頂板中堅硬砂巖層采用普通鉆孔炸藥爆破方法會形成火焰，當瓦斯濃度集聚到一定濃度范圍時，存在誘發瓦斯及煤層爆炸的次生災害。受此影響，生產過程中，無法采用人工強制放頂作業（深孔爆破）對頭、尾順槽端頭滯后懸板進行放頂。

1 水壓致裂堅硬頂板方法及設備

1.1 水壓致裂堅硬頂板方法

堅硬頂板水壓致裂控制區域選取在一盤區山4#8102 工作面5102 巷，設置致裂泵站、監測系統、控制系統以及人員的作業空間。主要是通過鉆孔高壓水將堅硬頂板致裂開，致裂區域與控制區域鋪設高壓管路，在致裂區域巷道頂板施工致裂鉆孔，同時增加單體支護長度及縮小單體柱支護間距，對巷道頂板進行臨時加強支護。

在5102 巷道頂板以45°、30°仰角施工兩組S1 和S2、S3 和S4 四個水壓致裂鉆孔，由于水壓致裂堅硬頂板的致裂效果主要取決于頂板巖性，頂板越致密、堅硬，節理裂隙不發育，致裂效果越好。故在進行水壓致裂前先了解致裂區域內頂板巖性，保證最佳的頂板致裂效果。鉆孔柱狀圖見第2 頁圖1。

1.1.1 鉆孔布置

水壓致裂堅硬頂板適用于“雙系”煤層（侏羅系、石炭二疊系），水壓致裂堅硬頂板主要針對煤層上方直接頂，即：煤層頂板為2 m～3 m 厚的堅硬中、粗砂巖。

根據5102 巷鉆孔柱狀圖分析，水壓致裂堅硬頂板鉆孔主要致裂直接頂1.13 m 細砂巖、1.78 m 粗砂巖、2.49 m 細砂巖；水壓致裂區域根據致裂泵壓力及流量，致裂區域在工作面超前70 m 范圍內。

鉆孔布置見第2 頁圖2 所示，在5102 巷超前工作面70 m 的位置施工兩組S1 和S2、S3 和S4 四個水壓致裂鉆孔，開口位置距離巷道外幫為1 m（盡量靠近煤柱側，以鉆機可施工為依據），S1 和S2 孔口水平間距為2 m，第一組S1 和第二組S3 孔口水平間距為13 m。鉆孔深度根據巷道頂板錨索支護長度（鋼絞線長5.3 m），S1、S3 鉆孔孔深9 m，垂深6.36 m，傾角45°；S2、S4 鉆孔孔深13 m，垂深6.5 m，傾角30°。S1、S2、S3、S4 均采用Ф42 mm 的鉆頭施工，施工至預定深度后退出鉆桿，更換為開槽鉆頭，進行孔底開楔形環槽。

圖1 山4 號層8102 工作面5102 巷頂板鉆孔柱狀

圖2 鉆孔布置示意（單位/m）

1.2 水壓致裂堅硬頂板設備

1.2.1 封孔器

封孔器采用中國礦業大學設計的FKSS 增強型水壓致裂專用封孔器（Ф42 mm），封孔段長度2 m，封孔器全長2.1 m，封孔器與安裝桿相連，然后連接至高壓注水管路。

1.2.2 楔形環槽致裂鉆孔

根據致裂巖層的位置，為減小巖石層面對裂縫擴展的影響，鉆孔開槽位置應選取在巖層的中間位置。因此確定S1、S3 致裂鉆孔開槽位置為距離頂板6.36 m（垂高）、S2、S4 致裂鉆孔開槽位置為距離頂板6.5 m（垂高），進行單一楔形環槽致裂。S1、S2、S3、S4 鉆孔分別采用直徑42 mm 鉆頭施工，S1 和S3、S2和S4 鉆孔分別施工至孔深9 m、13 m 時，退出鉆桿，取下鉆頭。更換為開楔形環槽鉆頭，再送入鉆孔孔底，開動鉆機，鉆頭兩側的刀片張開，刀片張開的同時鉆頭轉動，在鉆孔孔底形成楔形環槽。開槽后，鉆桿停止向前鉆動，改為向后鉆動，刀片收縮進入開槽鉆頭內；退出鉆桿及鉆頭，即完成開槽鉆孔的施工。

1.2.3 泵站及高壓管路鋪設

致裂泵采用南京六合煤礦機械有限公司生產的BZW200/56 型注水泵，公稱流量200 L/min，公稱壓力56 MPa。

水箱是注水泵站工作介質的存儲器，起著回收系統溢流回液和沉淀、過濾、向泵站提供潔凈工作液的作用。

致裂泵站布置在致裂鉆孔外側的巷道內（即超前工作面150 m），距離鉆孔位置在100 m 以內。高壓管路沿巷幫鋪設，需將高壓管路用鐵絲固定至巷幫。

1.2.4 實時檢測儀

水力致裂過程中的水壓力采用中國礦業大學研制的煤礦井下水力致裂監測儀來實時監測、曲線顯示和數據存儲。

2 水壓致裂堅硬頂板工藝

將封孔器與1 節安裝桿通過快速接頭連接，安裝好U 型卡送入鉆孔；在孔外逐節連接安裝桿，傾斜送入頂板致裂鉆孔。S1、S3 鉆孔送入封孔器1 根，安裝桿7 根，共計9 m，即：封孔深度為9 m，封孔段長度2 m。S2、S4 鉆孔送入封孔器1 根，安裝桿10 根，共計13 m，即：封孔深度為13 m，封孔段長度2 m。將安裝桿外端通過變接頭與高壓膠管連接。檢查各個環節均已準備完畢，在控制區域和致裂區域兩端分別設置警戒，嚴禁人員及車輛進出，開啟致裂泵，進行水力致裂。

S1、S3 鉆孔累計有效致裂時間為400 s，水壓（壓力）峰值為51.09 MPa、51.2 MPa，注水量0.39 m3、0.42 m3；S2、S4 鉆孔累計有效致裂時間為380 s，水壓（壓力）峰值為49 MPa、49.2 MPa，注水量為0.37 m3、0.38 m3。

圖3 水壓致烈頂板裂縫

3 結語

通過在5302 順槽超前支護靠煤柱幫側的巷道頂板上距離巷幫1 m 的位置沿巷道軸線方向施工1 排觀測鉆孔，觀測鉆孔垂直頂板向上開設。每排觀測鉆孔包括若干組觀測孔，每組觀測鉆孔包括兩個觀測鉆孔：第一觀測鉆孔和第二觀測鉆孔，每排的所有觀測鉆孔間距都為8 m；通過巖層鉆孔探測儀對觀測鉆孔進行探測發現水壓致裂后，煤層頂板上方2 m～3 m厚堅硬中砂巖層已產生平行裂隙，證明水壓致裂堅硬頂板成功（見圖3）。宏觀觀測，工作面回采至水壓致裂區域，頂板垮落嚴實，尾端頭滯后懸板面積縮小為2×3 m2。根據KJ-216 頂板動態在線監測監控系統分析，工作面及尾端頭支架工作阻力由原39 MPa 降低至32 MPa 左右，有效保障工作面回采作業安全。

[1]劉允芳.水壓致裂法三維地應力測量[A].夏熙倫.工程巖石力學[C].武漢：武漢工業大學出版社，1998：199-207.