砂巖頂板水力致裂技術及應用

王 曉

(大同煤礦集團朔州煤電鐵峰煤業公司南陽坡礦，山西 朔州 036000)

1 概述

大同煤礦集團鐵峰煤業公司南陽坡煤礦8704工作面走向長1400m，傾向180m，可采長度1322m。該工作面位于南陽坡井田307盤區東翼，東部為礦界，西部為早期采空區，南部為408盤區巷，北部緊鄰110m落差正斷層。地面標高1414～1466m，工作面標高1222～1274m，蓋山厚度約234m。該工作面頂板為粗砂巖，在回采過程中兩順槽頂板垮落困難，為防止古塘不能自然垮落面積過大，造成沖擊性來壓，根據頂板巖性設計在工作面頭、尾順槽超前注水對頂板進行水力致裂，從而實現隨采垮落。此項水力致裂技術，對實現礦井的安全生產意義重大。

2 研究現狀

從上個世紀五十年代起我國先后對堅硬頂板控制技術進行研究，堅硬頂板的控制從起初采用煤柱支撐法、采空區填充法來防止頂板冒落，達到安全采煤的目的發展到利用強制放頂法、強力支護切頂法促使頂板冒落的階段。煤柱支撐法技術簡單，但資源回收率低造成了資源的浪費。采空區填充法工序繁瑣，增加了成本。目前，國內外對堅硬頂板的處理方法[1,2]主要有：

（1）深孔爆破弱化堅硬頂板。施工工藝巷道向頂板打深孔，在工作面前方對頂板進行預爆破，事先破壞頂板的完整性。

（2）強制放頂，包括深孔爆破強制放頂和淺孔爆破強制放頂。缺點是炸藥單耗大，污染井下空氣，打眼放炮影響正常回采進度，而且存在安全隱患。新型的高壓空氣爆破致裂技術和二氧化碳致裂技術有效替代了炸藥在高瓦斯礦井中的使用，但與炸藥相比，爆破威力較小，因此在工程應用中比較局限。

（3）頂板注水軟化。預先向頂板鉆孔加壓注水，通過高壓水對頂板巖層的壓裂和軟化作用破壞頂板的完整性，使頂板初步卸壓，分為地面鉆孔高壓預注水和井下深孔高壓預注水[3]。可以起到降塵的作用，但對于厚度大、堅硬難冒的頂板效果欠佳。

高壓水力致裂的方法是在頂板關鍵巖層中進行預生裂隙，形成弱面，破壞巖石的整體性和降低巖體強度，從而減少頂板應力集中，降低礦壓顯現程度，達到安全生產的目的。大同煤田賦存的煤層最顯著的特點是“兩硬”（煤層堅硬、堅硬頂板）。巖層多為整體性強、分層厚度大的厚砂巖、礫巖，堅硬難冒，來壓時常出現沖擊性破壞，壓力顯現劇烈。大同礦區部分煤礦的實踐證明，水力致裂技術是一種經濟有效的堅硬頂板處理方法。

3 水力致裂技術

3.1 工作面周期來壓的影響

老頂周期破斷步距的經驗公式為[4]：

式中：

h-老頂巖層厚度，m；

σs-老頂巖層抗拉強度，MPa；

q-巖石自重及其載荷；

μ-巖石的泊松比。

公式表明，沖擊地壓的發生是能量積聚到一定程度的突然釋放，頂板厚度和懸板長度決定蓄能的大小。頂板巖層破斷步距和懸頂長度受基本頂巖層厚度的影響，合理設定鉆孔間距控制頂板破斷步距是預防沖擊地壓的關鍵，而鉆孔間距可根據工作面周期來壓步距來確定，可以設定為周期來壓步距的1/2。

3.2 關鍵層理論

采空區堅硬頂板破斷失穩后呈現出“下位短懸臂梁與上位長砌體梁”結構，厚度大，強度高，且周期性的破斷失穩會形成不同程度的動載作用[5]。關鍵層即對采場上覆巖層局部或直至地表的全部巖層活動起主要控制作用的巖層，相對其他巖層較為堅硬，厚度較厚，破壞前以梁的結構形式，作為全部巖層或層部巖層的承載主體，關鍵層的破斷將導致全部或局部上覆巖層的破斷，引起較大范圍內的巖層移動[6]，關鍵層是最佳的切頂位置。

在確定鉆孔深度時，充分考慮關鍵層的影響，水力致裂鉆孔孔底楔形槽放在此層的中間。根據8704工作面頂板情況，老頂粗砂巖為關鍵層，鉆孔開槽位置放在老頂粗砂巖中，8704工作面頂板巖體力學參數如表1所示。

表1 8704工作面頂板巖體力學參數表

3.3 鉆孔角度的確定

斷裂力學認為堅硬頂板在鉆孔中高壓水的作用下的擴展方向決定裂隙的損傷程度，孔底楔形槽起到起裂導向作用。水對巖石強度的影響把巖石裂隙化分為三個區：裂紋的尖端化損傷區、裂紋兩側的裂面化損傷區、連續性損傷區。損傷區擴展角度越大，越有利于裂隙的發育及頂板的破斷。從理論上鉆孔角度偏小好，但角度越小，孔的長度越長，對于頂板易變形的工作面不宜施工鉆孔。

注水泵壓力和流量大小對于壓裂效果至關重要，現場經驗要求注水泵額定壓力不小于30MPa，流量不能低于80L/min。同時，根據工作面推進速度和現場壓裂效果適當調整注水時間。

4 工程應用

根據工作面實際情況，南陽坡煤礦8704工作面周期來壓步距為26～31m，待工作面周期來壓后從2704順槽切頂線位置起每15m的位置布置一組鉆孔，1#孔方位角85°(平行于巷道），2#孔110°，3#孔135°。共設計鉆孔23組。在5704順槽布置同樣的鉆孔，1#孔85°(平行于巷道），2#孔60°，3#孔35°。共設計鉆孔23組。為了保證施工質量，鉆孔傾角定為45°，鉆孔深度22m，垂深15.8m。工作面鉆孔布置如圖1所示。

圖1 工作面鉆孔布置圖

工作面采用額定流量200L/min、額定壓力56MPa的注水泵對頂板進行注水，現場測定結果顯示，48s時壓力達到最大38.58MPa，推斷巖層開始破裂，隨后裂隙充水壓力下降，待裂隙充滿水后壓力再次升高，隨后大約260s后，從周邊錨桿、錨索開始出水卸壓，證明頂板已預裂，注水壓力與時間曲線如圖2所示。

圖2 壓力-時間曲線圖

根據生產班觀察頂板情況，發現頂板多處存在縱橫交錯的裂隙并含有明顯水印，頭部支架和尾部支架附近懸板分別垮落4.4m和4.2m。表2所示是8704工作面砂巖頂板注水效果分析。

表2 8704工作面砂巖頂板注水效果分析

表2中可以看出，頂板注水效果良好，平均周期來壓步距縮短，利于頂板的垮落，同時也加快了工作面的推進速度。

5 結論

長期以來的頂板水力致裂方法主要從宏觀上研究，往往靠實踐經驗。

（1）通過結合滲透理論、斷裂力學等相關知識，得出在高壓水的作用下巖石的損傷顯現規律，進而優化鉆孔參數達到更好的預裂效果是今后的研究方向。

（2）施工過程中不同位置的鉆孔施工參數需根據巖性以及相鄰鉆孔之間的具體情況來調整。

（3）鉆孔深度要確定在頂板不宜垮落的關鍵層（一般為基本頂或亞關鍵層），鉆孔切頂位置應放在關鍵層的中間，從理論上鉆孔角度偏小好，工程實際中要綜合考慮施工難易程度和鉆孔質量。