堅硬頂板定向水力致裂弱化頂板技術

董 建

（大同煤礦集團鐵峰煤業(yè)有限公司， 山西 朔州 037000）

當前近水平厚煤層多采用綜放一次采全高，該方式下巷道掘進少，高產高效，適宜采用大功率采掘及轉運設備，但同時也將導致采場上覆巖層結構失衡，礦壓顯現較為強烈，圍巖結構失穩(wěn)，易出現下沉、變形甚至出現沖擊地壓災害。為了解決“兩硬”綜放工作面所存在的礦壓以及回采巷道臨空動壓的顯現問題，本文通過定向水力致裂技術對上覆巖層進行弱化控制，解決巷道頂板下沉、底鼓、幫鼓嚴重等問題。

1 8111 工作面概況及臨空礦壓顯現

8111 放頂煤工作面屬石炭系C3 號煤層，其地面標高1 306～1 405 m，井下標高873.0～909.4 m。C3號煤層賦存條件較好，煤層厚度可達5.30～8.10 m，平均6.80 m，屬中厚煤層，8111 工作面設計可采儲量380 萬t，所采煤種為長焰煤。C3 號煤層中存在3～5 層夾矸層，水平傾角較小約為2°～4°，瓦斯?jié)舛认鄬^小，其中相對瓦斯涌出量0.35 m3/t，絕對瓦斯涌出量0.76 m3/min。8111 工作面走向長度約為239.4 m，頭順槽長2 466 m、尾順槽長2 481 m。

5111 巷至8111 工作面切眼531 m 位置與停采線間相鄰段為臨空巷道，為已采工作面8101 工作面采空區(qū)，其間留設有30 m 寬的煤柱。臨空巷道5111巷頂板需要承受本工作面采動所產生的超前支承力，同時與8101 采空區(qū)老頂連接，同時受到該區(qū)域頂板所形成的懸梁結構傳遞的殘余支承應力，兩種作用會造成5111 巷頂板應力集中，礦壓顯現強烈，會造成頂板下沉、底板底鼓和片幫，巷道支護的錨桿和錨索出現部分失效，并且部分單體支柱也出現支護失效和損壞，巷道變形嚴重（如圖1 所示），最嚴重的區(qū)段高度由原來的3.7 m 降低至為0.9 m，寬度由5.4 m 縮減為3.6 m。

圖1 臨空巷道5111 巷超前支護段礦壓顯現

2 定向水力致裂技術原理與工藝

2.1 定向水力致裂頂板機理

定向水力致裂其原理是通過利用高壓水流切斷煤巖體的原有結構聯系，從而起到定向轉移部分上覆巖層壓力，主動改善煤巖體中的應力集中狀況。同時煤、巖體被水分充分浸潤后，滲透能力增強，抗壓能力和彈性模量下降、微觀結構中的相互粘結作用下降，呈現出應力跌落現象，但整體結構的柔性和塑性會出現一定的增強，承壓過程中所受到沖擊傾向減弱，并延長受破壞時間。

水力致裂過程的高壓水流能夠將應力集中的部分應力進行轉移和重新分布，起到提高應力集中區(qū)內煤巖體圍巖穩(wěn)定性的作用。定向水力致裂作業(yè)過程中，單純利用高壓水流造成深度孔壁裂隙效果并不明顯，需要對鉆孔進行人工切槽定向致裂，即通過特制刀具在鉆孔的設定位置形成楔形槽面，再通過切縫鉆頭流出的高壓水流沖擊槽面的尖端，而鉆桿在設定位置旋轉射出高壓水流后退，重復該工序后形成需要的徑向裂縫，封孔后繼續(xù)注入高壓水流裂縫進一步擴展。

2.2 定向水力致裂成套裝置

特高壓水力致裂成套裝備由井下用高壓注水泵、水箱、定向水力致裂開槽鉆頭、刀片及專用封孔器等，其中高壓泵及配套管路為工作面乳化液工作站內配套設備，輔助配備水流壓力與流量的各類儀表與鉆孔窺視鏡等。鉆機采用ZYJ-400/135 型架柱式鉆機，鉆孔直徑為Φ50 mm，高壓泵最大工作壓力為40 MPa。

2.3 水力致裂工藝流程

定向水力致裂弱化圍巖技術工藝流程順序為：

1）水力致裂鉆孔施工，提前對需要軟化圍巖應力的實體煤巖體前方傾斜向上施致裂鉆孔，通過架柱式鉆機對頂板進行施工。

2）水力致裂鉆孔施工至預定位置后，通過定向水力致裂開槽鉆頭對孔底施兩倍直徑的楔形槽，并通過鉆孔窺視鏡查驗鉆孔開槽情況。

3）對完成開槽后的致裂鉆孔進行預沖孔處理，通過跨式封孔器對切槽位置進行封孔。

4）高壓水流通過高壓注水泵對封堵后的鉆孔進行注水致裂。

3 8111 工作面水力致裂方案

8111 工作面直接頂巖性為泥巖、高嶺巖，普氏硬度f為1.99～4.2，平均厚4.1 m，而老頂巖性為灰白色中砂巖、粗砂巖或礫巖主要成分石英長石、含少量巖屑、次棱角狀至次圓狀、半堅硬，平均厚6.7 m。該層結構相較其他巖層較為堅固，根據關鍵層理論其能夠對該工作面上部巖層結構起到控制作用。為了弱化5111 臨空巷應力集中，通過對8111 工作面老頂施水力致裂鉆孔。具體施工方案：

水力致裂鉆孔施工超前工作面200 m，沿5111臨空巷煤柱側巷幫，朝向8101 采空區(qū)方向施水力致裂鉆孔，鉆探機選取型號為ZYJ—400/135 型架柱式鉆探機，鉆孔直徑50 mm。水力致裂鉆孔單排布置，間距20 m，深度約28.4 m，并與底板呈26°仰角，沿5111 煤柱巷幫側水平投影距離25 m。

圖2 8111 工作面水力鉆孔布置平面圖

水力致裂鉆孔采用封孔器封孔過程中，安裝桿及高壓膠管需要安裝牢固，避免加壓過程中脫開造成擺渡對周圍人員、設備等損傷。封孔器安裝時嚴禁人員處于鉆孔正下方，同時開始加壓后操作人員應遠離鉆孔附近，并保持20 m 以上的安全距離，高壓注水停泵操作5 min 以上方可進入鉆孔附近區(qū)域進行相關檢查和操作。水力致裂過程應逐級進行，并確保鉆孔封孔后無滲水、漏水現象。加壓致裂過程中通過水壓流量儀對加壓過程中的水流流速和水壓進行實時監(jiān)控，當水泵流量突然增大，應及時停止水泵的加壓。監(jiān)控過程中需注意觀察相鄰鉆孔和鉆孔附近巷道頂板支護中錨桿和錨索末端滲水情況，用來確定水力致裂后的裂隙范圍情況，并當該現象發(fā)生后并且水壓發(fā)生明顯下降時，停止加壓。同時致裂加壓過程還需要考慮輔助巷的超前支護狀況，監(jiān)控支護的單體液壓支柱工作阻力和活柱量變化。

4 效果分析

以18 號鉆孔壓裂過程為例，使用水力致裂測控儀記錄水壓隨時間的變化。如圖3 所示，致裂時最大水壓達到23 MPa，致裂時第6~12 min 停泵更換損壞的高壓膠管密封圈，再次啟動高壓泵后水壓下降到9 MPa 左右，并維持穩(wěn)定。從壓力曲線的走勢可以明顯看出在第13 min 時頂板明顯被壓開，形成預裂切縫。

圖3 18 號鉆孔水力致裂壓力曲線圖

自5111 巷1 890 m 處開始實施水力致裂，截止水力致裂鉆孔施工結束至90 m 處，共施工96 個鉆孔，成功預裂93 個（其中3 個鉆孔塌孔無法致裂），致裂時水壓為7～53 MPa。自5111 巷1 890~90 m 段水力致裂弱化圍巖后，巷道頂板礦壓出現顯著下降，說明致裂切頂有效打斷臨空巷頂板與鄰近采空懸頂間的聯系，并且5111 巷分別能夠確保高度1.8 m 和寬度4.2 m 的最小安全通過出口，較致裂切頂前得到極大改善。

5 結論

1）根據5111 臨空巷道變形嚴重發(fā)生的機理，施工水力致裂切頂鉆孔，在基本頂內形成切縫，使8111 工作面及5111 臨空巷的上覆層中老頂與8101工作面采空區(qū)老頂間發(fā)生斷裂，避免5111 巷頂板同時承受8111 工作面超前支承壓力以及8101 采空區(qū)殘余支承應力所引發(fā)的縮幫、頂板下沉等變形，保障工作面順利回采。

2）通過8111 工作面堅硬頂板水力致裂弱化保護臨空巷道工業(yè)性試驗，建立起高應力巷道圍巖應力轉移技術體系，在控制巷道變形方面取得良好成效，可以更加合理地進行巷道維護，有效保障了8111 工作面的順利回采。