堅(jiān)硬頂板工作面水力壓裂切頂卸壓技術(shù)研究

冀國(guó)飛

【摘 要】 針對(duì)堅(jiān)硬頂板工作面在開采過程中頂板巖體難以垮落，使得工作面后方大面積懸頂，造成臨近運(yùn)輸巷圍巖變形較大的問題，本文以某煤礦15116堅(jiān)硬頂板工作面為工程背景，采用水力壓裂切頂卸壓技術(shù)對(duì)工作面頂板巖體進(jìn)行預(yù)裂卸壓，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：對(duì)頂板巖體進(jìn)行預(yù)裂卸壓后運(yùn)輸巷道兩幫變形量減小了51.1%，頂?shù)装遄冃瘟繙p小了46.5%，巷道圍巖變形得到了有效的控制，保證了回采工作面的安全。

【關(guān)鍵詞】 堅(jiān)硬頂板;工作面;預(yù)裂卸壓;圍巖變形

【中圖分類號(hào)】 TD32 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 2096-4102（2021）01-0014-02

本文以某煤礦15116堅(jiān)硬頂板工作面為工程背景，采用水力壓裂技術(shù)對(duì)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行切頂卸壓，并通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法研究了巷道圍巖的變形情況，此研究結(jié)果可為類似工程地質(zhì)條件下的工作面堅(jiān)硬頂板的弱化處理提供借鑒與參考。

1工程概況

15116工作面主采16號(hào)煤層，厚度為2.0～4.5m，平均厚度3.25m，平均傾角5°。16號(hào)煤層工作面直接頂為細(xì)粒砂巖交互層，平均厚度約7.3m，基本頂巖層為細(xì)粒砂巖和中粒砂巖，平均厚度約8.7m，屬堅(jiān)硬巖層，直接底為泥巖，平均厚度約為2.1m，基本底為粉砂巖，平均厚度約為3.96m。工作面頂?shù)装迕簬r柱狀圖如圖1所示。

2水力壓裂圍巖變形機(jī)理及切頂卸壓原理

由于長(zhǎng)壁式開采對(duì)圍巖采動(dòng)影響較大，在正常的工程地質(zhì)條件下，隨著回采工作面推進(jìn)，后方由多層薄巖層組合而成的頂板發(fā)生垮落，采空區(qū)中垮落下的矸石承擔(dān)上覆巖層產(chǎn)生重力，從而分擔(dān)了采空區(qū)兩側(cè)煤柱所承擔(dān)的壓力，進(jìn)而減小了為工作面服務(wù)的臨近巷道圍巖的變形。由于16號(hào)煤層直接頂和老頂均為砂巖，其硬度較大，頂板不能夠在工作面推進(jìn)后及時(shí)垮落，使得煤柱長(zhǎng)時(shí)間承受較大的載荷，這導(dǎo)致工作面臨近巷道圍巖發(fā)生較大變形，影響其安全使用。

水力壓裂切頂卸壓技術(shù)切割堅(jiān)硬頂板，以此將上覆巖層的載荷向采空區(qū)轉(zhuǎn)移，降低區(qū)段煤柱內(nèi)的應(yīng)力集中程度，從而確保留巷圍巖的穩(wěn)定性。一個(gè)正在回采的工作面，一側(cè)為采空區(qū)，另一側(cè)為未回采的工作面，兩個(gè)工作面間留設(shè)一定寬度的區(qū)段煤柱，煤柱上方的堅(jiān)硬巖層形成懸臂式結(jié)構(gòu)。采用水力壓裂技術(shù)進(jìn)行頂板壓裂后，煤柱上方的堅(jiān)硬巖體垮落，煤柱得到卸壓，此時(shí)留巷圍巖的穩(wěn)定性將得到很大的提高。

3切頂卸壓方案

根據(jù)15116工作面的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在軌道巷未進(jìn)行回采部分的頂板布置水力壓裂鉆孔進(jìn)行切頂卸壓試驗(yàn)，試驗(yàn)段長(zhǎng)度約280m，水力壓裂鉆孔之間的距離為10m，鉆孔長(zhǎng)度為30m，鉆孔直徑為75mm，鉆孔與工作面水平方向的夾角為50°，與工作面推進(jìn)的方向?yàn)?5°，在鉆孔的底部從內(nèi)到外依次開間距為3m的槽，各鉆孔布置如圖2所示。

壓裂鉆孔鉆進(jìn)采用鉆頭直徑77mm的礦用全液壓坑道鉆機(jī)，鉆孔完成之后，使用封孔器對(duì)鉆孔進(jìn)行封孔，然后使用靜水壓對(duì)封孔器進(jìn)行鏡像試壓，查驗(yàn)封孔器的密封性，最后連接注水鋼管并把封孔器推入到預(yù)壓裂縫位置進(jìn)行壓裂，封孔器的壓力值為10MPa，高壓注水泵的水壓力值為60MPa，注水壓裂的順序?yàn)榈雇耸綁毫逊ǎ煽椎椎娇卓谥鸫芜M(jìn)行，在水力壓裂施工過程中，巷道前后30m范圍內(nèi)的無關(guān)人員禁止靠近施工現(xiàn)場(chǎng)。

4現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐分析

4.1巖變形監(jiān)測(cè)

在15118運(yùn)輸巷內(nèi)布設(shè)圍巖變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)切頂卸壓前后巷道圍巖的位移變形，并進(jìn)行對(duì)比分析，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處圍巖變形曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，在水力壓裂切頂卸壓前，巷道兩幫變形值最大約229mm，水力壓裂切頂卸壓后巷道兩幫變形值最大約112mm，變形值減小了約51.1%;在水力壓裂切頂卸壓前，頂?shù)装遄冃沃底畲蠹s為366mm，水力壓裂切頂卸壓后頂?shù)装遄冃沃底畲蠹s為196mm，減小了約46.5%。由此可見，在15116工作面進(jìn)行水力壓裂切頂卸壓后，15118運(yùn)輸巷圍巖的位移量顯著減小，且能滿足為回采工作面服務(wù)的要求。

4.2應(yīng)力分析

水力壓裂切頂卸壓前后，15116工作面煤層應(yīng)力的分布情況如圖4所示。

從圖4可以看出，由于水力壓裂切頂卸壓使得工作面頂板發(fā)生冒落，落下的巖石充填工作面后方的采空區(qū)，與此同時(shí)在回采巷道的附近產(chǎn)生較大的應(yīng)力，切頂卸壓后采空區(qū)所產(chǎn)生的垂直應(yīng)力大于非切頂卸壓情況下的垂直應(yīng)力。切頂卸壓后采空區(qū)所產(chǎn)生的覆巖載荷，可以有效減少煤柱的載荷。切頂卸壓后煤柱垂直應(yīng)力小于非切頂卸壓情況下的垂直應(yīng)力。切頂卸壓后煤柱平均垂直應(yīng)力大約為14.3MPa，平均降幅大約為0.4MPa。

5結(jié)語

為控制15116工作面臨近15118運(yùn)輸巷圍巖變形，采用水力壓裂切頂卸壓技術(shù)對(duì)堅(jiān)硬頂板15116工作面進(jìn)行處置，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以及巷道位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可得出，工作面采用水力壓裂切頂卸壓后，15118運(yùn)輸巷兩幫變形量減小了51.1%，頂?shù)装遄冃瘟繙p小了46.5%，巷道圍巖的變形顯著減小，取得了良好的控制效果。

【參考文獻(xiàn)】

[1]馬特.煤礦堅(jiān)硬頂板對(duì)礦井的危害以及防治措施[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2014（24）：127-128.

[2]閆書浩.特厚煤層堅(jiān)硬頂板礦壓規(guī)律研究[J].山西能源學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，32（1）：1-3.

[3]李鵬.堅(jiān)硬頂板弱化條件下礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[J].山西能源學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，32（5）：1-2.

[4]姜瑞忠，蔣廷學(xué)，汪永利.水力壓裂技術(shù)的近期發(fā)展及展望[J].石油鉆采工藝，2004（4）：52-57.

[5]李安啟，姜海陳，彩虹.我國(guó)煤層氣井水力壓裂的實(shí)踐及煤層裂縫模型選擇分析[J].天然氣工業(yè)，2004（5）：91-94.

[6]金衍，張旭東，陳勉.天然裂縫地層中垂直井水力裂縫起裂壓力模型研究[J].石油學(xué)報(bào)，2005（6）：113-114.

[7]閆少宏，寧宇，康立軍，等.用水力壓裂處理堅(jiān)硬頂板的機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2000（1）：34-37.

[8]馮新慶.厚硬頂板定向水力壓裂數(shù)值模擬研究[J].山西能源學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，32（4）：35-6.

[9]鄧英爾，劉慈群，王允誠.垂直裂縫井兩相非達(dá)西橢圓滲流特征線解、差分解及開發(fā)指標(biāo)計(jì)算方法[J].石油勘探與開發(fā)，2000（1）：83-86.

[10]高磊.鎮(zhèn)城底礦切頂卸壓沿空留巷技術(shù)的應(yīng)用研究[J].機(jī)械管理開發(fā)，2019，34（6）：109-110，172.