薛虎溝煤業2-106A運巷厚層堅硬頂板應力弱化技術研究

劉 凱

（霍州煤電集團河津薛虎溝煤業有限責任公司 ，山西 河津 043300）

1 工程概況

霍州煤電薛虎溝煤業2-106A工作面回采2#煤層，工作面位于621水平，走向長度為470m，傾斜長度為230m，采用綜合機械化開采，全部垮落法管理頂板。2#煤層厚度為3.2～5.0m，均厚3.4m，煤層傾角為2°，普式硬度f=0.7。2#煤層直接頂為砂質泥巖，均厚5.75m，普式硬度f=4～5，基本頂為灰白色中粒砂巖，均厚3.6m，普式硬度f=5～6，屬于堅硬頂板，直接底為砂質泥巖，均厚5.2m，老底為灰黑色粉砂巖，均厚為2.6m，2-106工作面具體位置如圖1所示。

圖1 2-106A工作面具體位置示意圖

2-106A工作面運輸巷斷面形狀設計為梯形，巷道凈高為3420mm，上寬為3440m，下寬為4600mm，巷道沿2#煤層底板掘進，巷道斷面為梯形，采用12#工字鋼棚支護，工字鋼棚梁長度為3340m，棚腿長度為3450m，棚距為600mm，柱窩深度為150mm。巷道支護斷面示意圖如圖2所示。

圖2 2-106A工作面運輸巷支護斷面圖

2 巷道變形破壞分析

2.1 巷道破壞特征

根據觀察2-106A工作面運輸巷具有以下幾點變形破壞特征：

1）在靜載作用下巷道圍巖的變形量大，根據地質資料可知，2-106A工作面回采巷道受到埋深大的影響，在工作面未回采時，巷道圍巖即發生較為嚴重的彎曲變形，其中兩幫最大移近量為1000mm，頂底板最大移近量為960mm。

2）巷道在回采動壓影響下出現沖擊大變形。回采巷道在超前及側向支承壓力的綜合作用下，使得巷道在原有變形破壞的基本上進一步加劇，且工作面前方約30m的范圍內，頂底板變形量小于兩幫變形量，局部出現工字鋼棚壓彎的現象。

2.2 巷道破壞原因分析

通過對物理力學試驗結合理論分析，得出導致2-106A工作面運輸巷圍巖變形嚴重的原因。

1）巷道所受靜載荷較大，由試驗結果知，2#煤層的平均抗壓強度為9.8MPa，計算出原巖應力約為13MPa，以超過煤體的單軸抗壓強度，另外根據對礦區進行地應力的測試結果可知，最大水平主應力為22.5MPa，最小水平主應力為9.9MPa，垂直應力為1.4MPa，根據上述數據能夠得出礦區水平構造應力較大，最小水平主應力也超過了煤體的單軸抗壓強度，同樣會致使巷道頂板出現變形量大的現象。煤層及底板松軟、頂板堅硬造成了巷道圍巖的大變形。

2）巷道堅硬頂板破斷會造成動荷載的沖擊影響，回采過程中，基本頂出現破斷后，巖層失穩，工作面來壓，且來壓現象會隨著工作面的推進呈現出周期性的變化[1-3]，根據現場觀測數據能夠得知，基本頂的周期來壓步距為29m，根據巖梁的極限跨距L表達式：

式中：h為基本頂的分層厚度，m；q為關鍵層承受上覆巖層的重量，kN；RT為極限抗拉強度，MPa。結合2-106A工作面上覆巖層情況能夠得出基本頂的初次來壓步距為71.3m。

根據工作面取巖芯的結果能夠得出，工作面頂板存在5.75m厚的堅硬砂質泥巖及其5.6m的中粒砂巖，厚層直接頂彎曲變形過程中積聚了大量彈性能，當能量積聚到巖體的極限強度后，堅硬巖層便會出現破斷滑移現象，能量將大量釋放，從而形成強大的動力源對巷道圍巖產生破壞[4-5]。根據對基本頂初次破斷及周期破斷進行計算分析，得出初次破斷釋放的能力為3.2×109J，周期破斷釋放的能量為2.3×109J，通過分析頂板破斷產生的能量傳遞到工作面時受到基本頂破斷規律、工作面間距離及震源位置、煤巖體性質及巖層弱面結構等的影響[6]，故綜合考慮上述因素后，計算得出傳遞到工作面的能量為2.34×107J，且能夠得知初次垮落能量高，周期垮落能量為初次垮落能量的1/3左右。能量越高，則發生沖擊的可能性便越大，故2-106A工作面上覆厚層堅硬頂板破斷引起的動荷載沖擊是導致2-106A運輸順槽圍巖變形破壞嚴重的主要原因。

3 水力壓裂堅硬頂板技術

根據上述分析知薛虎溝煤業2-106A工作面運輸巷堅硬頂板破斷產生的沖擊能量造成巷道出現變形量大、難支護的問題。根據巷道現有條件，綜合考慮后采用水力致裂技術對2-106A工作面運輸巷堅硬頂板進行弱化處理，以實現回采巷道的穩定。

3.1 水力致裂工藝及原理

水力致裂技術所用到的設備主要包括：高壓泵、鉆機、封孔器、定向切槽刀具、高壓管、地質鉆機及礦用本安型鉆孔窺視儀，上述設備配合使用時能夠實現在鉆孔注水過程中實時的觀測其壓力變化情況；輔助設備有：圓圖記錄儀、壓力表、鉆孔窺視儀，輔助工具主要用于控制孔壁及切槽情況。具體水力壓裂的工序示意圖如圖3所示。

圖3 水力壓裂工序示意圖

3.2 預裂縫的切槽工藝

頂板定向水力致裂切槽封孔的操作示意圖如圖4所示。

圖4 預裂縫切槽示意圖

圖4中所用切槽鉆頭為Φ46mm，切槽鉆頭配合封孔使用，根據薛虎溝煤業2-106A工作面堅硬頂板巖層的特征，先利用地質鉆機在2-106A工作面運輸順槽垂直頂板打設Φ46mm的鉆孔，孔深為10m，鉆孔打設完畢后，利用錨桿鉆機在致裂鉆孔的四周打設觀測鉆孔，觀測鉆孔與之間鉆孔之間的間距為5m，觀察測孔的目的主要為測量致裂鉆孔的半徑，在鉆孔打設完畢后，通過礦用型鉆孔窺視儀器觀測鉆孔孔壁，來確保不出現裂紋、離層現象，有效封孔后，在地質鉆機上安裝切槽刀具，并將刀具伸入鉆孔底部，慢速旋轉，鉆孔大約需要鉆進5cm即可，切出1個合理的楔形槽，如圖4所示，在水壓強度有限條件下，鉆孔效果會直接影響到水力壓裂效果，通過對2-106A工作面鉆孔切槽效果進行觀察，從觀測結果能夠看出切槽效果良好，為堅硬頂板水力壓裂切槽成功奠定了良好基礎。

3.3 現場工程試驗

薛虎溝煤業2-106A工作面在進行水力致裂試驗時，布置17個水壓致裂孔，孔深20m，孔間距為5m，孔徑為46mm，角度為偏向實體煤側成60°角，孔垂直致裂高度為17.5m，致裂壓力能夠達到20.8MPa以上，2-106A工作面水力致裂鉆孔布置方式如圖5所示。

圖5 工作面頂板水力致裂鉆孔及控制鉆孔布置示意圖

3.4 水力壓裂效果分析

通過在2-106A工作面運輸巷水力壓裂區域布置測點B，在試驗段距離工作面100m時開始對巷道變形量進行持續監測，同時在工作面回采位置前方100m未致裂位置布置測點A，在工作面不斷推進后，能夠的得出致裂區域和未致裂區域圍巖變形量，如圖6所示。

圖62 -106A運輸巷水力壓裂與未水力壓裂區域圍巖變形曲線圖

從圖6（a）中能夠看出，未致裂區域比致裂區域的兩幫變形量大，且距離工作面小于60m的區域，致裂區域變形量比未致裂區域變形量減小約40%；從圖6（b）中能看出在距工作面位置相同時，致裂區域的頂底板變形量約為未致裂區域的頂底板變形量的60%。根據上述數據能夠得出水力致裂技術有效的解決了2-106A運輸巷圍巖變形量大，治理了工作面沖擊動力災害。

4 結 論

1）通過對2-106A工作面回采期間運輸順槽圍巖大變形破壞的特征及原因進行分析，得出動靜壓力組合作用下，巷道大變形破壞的主要原因為堅硬頂板破斷產生的強沖擊能量。

2）利用水力致裂技術對2-106A工作面運輸巷對巷道堅硬頂板進行弱化處理，堅硬頂板在進行水力弱化后，巷道的圍巖變形量大幅減小，有效的解決了回采巷道沖擊動力災害，對類似技術難題提供借鑒。