堅硬頂板綜采工作面水力壓裂切頂卸壓技術研究

苗卿

【摘 要】 山西某礦8105工作面頂板煤層中存在硬度較大的砂巖，導致頂板無法正常垮落。文章基于工作面圍巖壓力試驗，采用離散元軟件UDEC數值模擬，進行了現場水力壓裂切頂試驗。結果表明：1.切割角度為10°時，切割效果最佳;2.水力切割鉆孔間距設置為10m可滿足卸壓要求;3.水力壓裂切頂技術實施完成后，回采14-16m區間段，頂板正常垮落;水力壓裂切頂卸壓技術可以有效解決堅硬頂板不能正常來壓的問題，研究結果可為類似工程問題提供參考。

【關鍵詞】 堅硬頂板;數值模擬;現場實施;效果考察

【中圖分類號】 TD327.2 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）06-0001-03

礦井頂板事故一直嚴重威脅礦井安全生產，頂板堅硬導致放頂煤層開采過程中頂板無法按照設計步長正常垮落，隨著開采長度不斷增大，應力達到堅硬頂板彈性極限便會突然垮落，形成沖擊地壓，對綜放工作面支架設備及人員造成巨大損傷，后果不堪設想。李文龍研究發現，進行水力壓裂切頂技術時，脈沖式動壓水致裂效果更好;程曉強教授研究發現，在綜采面頂板實施靜壓水，隨著時間推移，頂板產生了膨脹;郭偉研究發現，切頂技術在燕家河煤業10103綜采面沿空留巷中實施效果比較好，有效解決了沿空留巷頂板無法卸壓的問題;戚福周博士研究了高應力沿空留巷切頂卸壓圍巖變形的問題，研究結果表明，切頂卸壓在高應力沿空掘巷掘進過程中，有效控制了留巷圍巖變形的問題。綜上所述，切頂卸壓技術的應用具有一定的廣泛性。山西某礦頂板巖層比較堅硬，無法正常垮落，本文擬采用實驗室試驗、數值模擬及現場驗證等手段，進行堅硬頂板綜放工作面水力壓裂切頂研究，以期達到綜放工作面頂板正常垮落的效果。

1礦井工作面概況

山西某礦核定產能120萬t/a，礦井為高瓦斯礦井，目前回采至8105工作面，主采煤層為8#煤層。8#煤層平均厚度5m，直接頂板為泥巖，厚度3.4m，其次為砂巖和粉砂巖;底板為泥巖、細砂巖。煤層頂底板巖石特性如表1所示。8105工作面走向長度1987m，切眼長度178m，工作面采用走向長壁放頂煤采煤法，一次采高3m，放頂2m。工作面區域結構簡單，無大型構造。

根據煤層頂板巖性情況判斷，砂巖為堅硬頂板，會影響頂板正常垮落，威脅8105工作面正常放頂煤開采。

2 煤巖樣品力學試驗

在工作面位置取煤樣和巖石樣本進行實驗室參數測定，主要完成三軸壓力測試，采用DDL500電子式萬能試驗機。壓力機壓力設置為0-70MPa，壓力逐漸增大。煤樣機試驗過程如圖1所示，測得基本參數如表2所示。

3 頂板切頂數值模擬研究

根據目前8105工作面頂板情況分析，工作面放頂過程中出現頂板過硬、頂煤無法正常垮落的現象。為解決以上問題，現擬采用水力壓裂切頂卸壓技術對煤層堅硬頂板進行切割，為確定切割角度，現采用UDEC軟件進行數值模擬研究。UDEC軟件是一款離散元軟件，可以模擬出巖石破裂的過程。數值模擬參數來源于實驗室研究，具體巖性參數見表2所示。

采用UDEC建立的數學模型進行采空區不同切角數值模擬，根據現場力學測試，頂板承受的應力為120MPa，模型底板、左側、右側均固定約束，在數值載荷下，分別在工作面進行水力壓裂切頂，模擬得出在不進行水力壓裂措施下，以及切割角度分別在0°、10°、20°情況下，模型應力變化及垮落的情況，模擬結果如圖2所示。

由圖2可知，在不水力切割的情況下，采空區正常垮落時，整體會出現延后現象，且堅硬頂板在采煤工作面上切眼位置無法正常垮落，極容易產生頂板事故;切割角度為0°時，由于切割位置為采煤工作面上方，有效影響范圍較小，容易產生上覆巖層直接豎直垮落，無法形成緩沖作用;切割角度為10°時，上覆堅硬頂板可以正常垮落，且垮落周期短，不影響安全生產;切割角度為20°時，工作面垮落位置整體趨向于采空區，垮落巖體較多，垮落周期更短，不符合綜放面安全回采放頂周期要求。

綜上所述，切割角度為10°時，頂板可以滿足工作面正常垮落要求。

4 水力壓裂切頂卸壓技術實施及效果考察

根據模擬研究結果，頂板切割角度為10°，現在8105工作面實施該技術。該工藝實施步驟為：打鉆→水力壓裂→封孔。

根據水力壓裂技術工程研究結果可知，水力壓裂技術單個鉆孔有效影響范圍為5m，因此設計鉆孔間距為10m。鉆孔設計圖如圖3所示，鉆孔參數如表3所示。

施工完成后對工作面放頂步長進行了考察，考察結果如圖4所示。

現場每20m實施一排鉆孔進行過水力切頂，切頂角度為10°，通過水力切點后，對每次來壓時掘進距離進行統計，統計結果顯示，基本回采14-16m時，頂板即可正常放頂，未出現頂板無法正常垮落的現象。

5 總結

為解決堅硬頂板無法正常垮落問題，文章以山西某礦8105工作面為研究對象，進行了數值模擬研究，實施了水力壓裂切頂技術，進行了后期效果考察，得出以下結論：

數值模擬研究結果表明，切頂角度設為10°時，效果最佳，可以有效放頂;

現場實施完成水力壓裂鉆孔17個，每20m實施一組，實施完成后頂板正常垮落，當回采距離達到14-16m區間范圍內，頂板均可正常垮落。

水力壓裂切頂卸壓技術的有效實施，解決了堅硬頂板無法正常垮落的問題，研究成果對其他相關礦井頂板災害治理有一定指導意義和現實意義。

【參考文獻】

[1]楊亮.采空側切頂沿空掘巷小煤柱穩定特征研究[D].北京：中國礦業大學，2020.

[2]程曉強.綜采工作面堅硬頂板靜態膨脹致裂研究[D].西安：西安科技大學，2020.

[3]段強強.金谷礦10902工作面運輸平巷切頂沿空留巷技術[D].北京：中國礦業大學，2020.

[4]李文龍.動壓影響巷道水力壓裂切頂卸壓技術研究[J].煤炭工程，2020，52（8）：54-59.

[5]郭偉.切頂卸壓沿空留巷在燕家河煤業10103綜采工作面的應用實踐[J].中國礦山工程，2021，50（3）：36-39.

[6]戚福周.高應力沿空掘巷切頂卸壓圍巖變形機理及控制研究[D].徐州：中國礦業大學（徐州），2020.

[7]孫志勇，張鎮，王子越，等.水力壓裂切頂卸壓技術在大采高留巷中的應用研究[J].煤炭科學技術，2019，47（10）：190-197.

[8]雷謹魁.禾草溝煤礦破斷工作面順槽頂板卸壓技術應用研究[D].西安：西安科技大學，2019.