水力致裂在礦壓防治中的應(yīng)用

常獻(xiàn)軍

(南煤集團(tuán)有限公司， 山西 陽泉市 045000)

0 引 言

南莊礦采用綜采放頂煤方法開采，因開采煤層平均厚度在15 m左右，回采工作面臨空順槽超前煤壁200 m范圍出現(xiàn)沖擊地壓現(xiàn)象，巷道變形嚴(yán)重。隨開采范圍的增加，沖擊地壓日趨嚴(yán)重。曾發(fā)生了2起強(qiáng)礦壓造成的事故，先是8107工作面受強(qiáng)礦壓影響整個(gè)工作面壓力巨大，煤壁片幫、局部漏頂、機(jī)道底鼓嚴(yán)重，采煤機(jī)被頂起無法推進(jìn)，影響工作14 d。緊接著8107工作面密閉后開采的8105工作面5105巷遇強(qiáng)礦壓襲擊，造成50 m巷道損壞。因此，急需采取措施對(duì)礦井礦壓進(jìn)行防治。

本次研究方法主要是采用水力致裂的方法，預(yù)先切斷老頂，弱化頂板，使頂板巖層及時(shí)垮落，降低工作面初次來壓時(shí)產(chǎn)生的較大應(yīng)力波動(dòng)，避免煤巖體中賦存的瓦斯大量釋放，導(dǎo)致瓦斯災(zāi)害，從而對(duì)礦壓防治與頂板管理產(chǎn)生積極的作用，有效防治沖擊地壓等強(qiáng)礦壓。

1 水力壓裂防沖擊地壓試驗(yàn)

首次試驗(yàn)在5105巷，首先使用電磁輻射儀進(jìn)行全巷道應(yīng)力監(jiān)測(cè)，最終確定采位1045.6～1480 m區(qū)域應(yīng)力較大，然后在該區(qū)域施工觀察孔來確定老頂關(guān)鍵層的位置，最后經(jīng)過研究分析在該區(qū)域施工20個(gè)水力孔進(jìn)行水力壓裂(見圖1)。

5105巷水力壓裂雖然取得了成功，但是仍然有很多問題，比如用銷子連接的安裝桿極易從銷子處斷開、孔口的固定措施存在安全隱患且固定能力有限等，為了提高水力壓裂的效果，先后2次對(duì)該項(xiàng)技術(shù)以及設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化。

(1) 與廠家共同研發(fā)新一代安裝桿，最初的安裝桿直徑為50 mm且使用銷子固定，新一代的安裝桿直徑為75 mm且使用螺紋固定，大大減少了水力壓裂時(shí)銷子裂開而導(dǎo)致的失敗。新型安裝桿在8103工作面5103巷首次使用，共施工水力壓裂孔142個(gè)并成功壓裂，總孔深度4736 m，徹底解決了安裝桿銷子開口從中間斷裂的問題。

(2) 針對(duì)煤礦石炭紀(jì)堅(jiān)硬頂板條件以及開采以來不斷顯現(xiàn)的各種強(qiáng)礦壓現(xiàn)象，研發(fā)和使用水力致裂堅(jiān)硬頂板技術(shù)來防治沖擊礦壓。但是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施時(shí)沖孔問題不斷發(fā)生，導(dǎo)致致裂失敗，設(shè)備和致裂孔損壞，造成極大的安全隱患。為了減少?zèng)_孔問題的發(fā)生和設(shè)備的損壞，保證水力致裂實(shí)施的成功率，以及沖擊地壓的防治效果，對(duì)封孔器封孔時(shí)孔口固定措施進(jìn)行了改進(jìn)。

2 水力壓裂防沖擊地壓的推廣應(yīng)用

通過幾次技術(shù)設(shè)備上的優(yōu)化，該項(xiàng)技術(shù)日趨成熟，能夠在應(yīng)用上也更加靈活，能夠定點(diǎn)專項(xiàng)解決一些工作中的實(shí)際問題，一般在巷道應(yīng)力集中的區(qū)域和工作面切眼實(shí)施。

2.1 8113工作面切眼水力壓裂

針對(duì)8113綜放工作面瓦斯超限問題，在該工作面切眼布置鉆孔，進(jìn)行水力壓裂。

(1) 水力致裂鉆孔布置。掘進(jìn)巷道期間，8113工作面切眼附近沒有施工地質(zhì)鉆孔，頂?shù)装鍘r性及煤層性質(zhì)不能準(zhǔn)確掌握。據(jù)礦方提供的地質(zhì)資料及鉆孔柱狀圖確定，該工作面煤層厚度15.6 m，頂板往上依次為泥巖(2.14 m)、粗砂巖(6.68 m)、細(xì)砂巖(7.21 m)。確定8113工作面切眼頂煤厚度11.65 m，水力壓裂鉆孔布置在煤層上方6.8 m處的頂板巖層內(nèi)。

(2) 8113初采水力致裂方案。由8113工作面開切眼尾巷向頭巷方向總共布置12組鉆孔，每隔20 m布置1組，每組布置2個(gè)鉆孔，具體參數(shù)如圖2和表1所示。

鉆孔名稱鉆頭直徑/mm鉆孔深度/m仰角/(°)開槽位置鉆孔數(shù)/個(gè)1#煤75,巖5019.2174.9孔底122#煤75,巖5027.2842.8孔底12

本方案共施工24個(gè)鉆孔，總計(jì)560 m，其中巖孔210.8 m，水力壓裂全部實(shí)施成功，達(dá)到了治理初采瓦斯超限的目的，后來依次在西8203, 8207, 8101, 8202工作面(現(xiàn)采工作面)切眼使用水力壓裂技術(shù)也都取得了良好的效果，有效防治了該礦出現(xiàn)的強(qiáng)礦壓問題。

2.2 5202巷應(yīng)力集中區(qū)域水力壓裂

針對(duì)5202巷受8203綜放工作面采空區(qū)側(cè)向壓力影響，在加強(qiáng)支護(hù)后礦壓顯現(xiàn)仍然強(qiáng)烈問題(見圖3)。

圖3 5202頂板情況

在5202巷距二盤區(qū)回風(fēng)大巷520～700 m段，向8203采空區(qū)方向布置鉆孔進(jìn)行水力致裂，預(yù)先切斷老頂，以期達(dá)到弱化礦壓顯現(xiàn)的目的。施工并致裂20個(gè)鉆孔，總計(jì)750.9 m，其中巖孔218.0 m，煤孔內(nèi)加套管。水力壓裂實(shí)施后巷道應(yīng)力有所減弱，效果良好，在對(duì)沖擊地壓等煤巖動(dòng)力災(zāi)害問題的防治上產(chǎn)生了積極的作用，目前在南莊礦的各個(gè)工作面都不同程度地使用該項(xiàng)技術(shù)，而且成效顯著。

3 結(jié) 論

以南莊礦預(yù)防礦壓為研究背景，采用水力致裂的方法，對(duì)本礦井的礦壓進(jìn)行防治，主要結(jié)論如下：

采用水力壓裂預(yù)先切斷老頂，弱化頂板，使頂板巖層及時(shí)垮落，降低工作面初次來壓時(shí)產(chǎn)生的較大應(yīng)力波動(dòng)，避免煤巖體中賦存的瓦斯大量釋放，導(dǎo)致瓦斯災(zāi)害，同時(shí)還可以在工作面開采前進(jìn)行預(yù)切頂弱化煤巖，防止初采期間瓦斯超限。該技術(shù)在南莊礦2次優(yōu)化后更趨成熟，徹底解決了安裝桿斷裂與沖孔問題，在國內(nèi)為千萬噸礦井的水力壓裂防治沖擊地壓指明了方向。