頂板水壓致裂卸壓效果評(píng)價(jià)及工程應(yīng)用

張凱華

（山西大平煤業(yè)有限公司）

我國(guó)煤礦采煤工作面多采用全部垮落法處理頂板，當(dāng)工作面頂板巖層整體性強(qiáng)、完整性好時(shí)，采空區(qū)后方會(huì)形成大面積懸頂，使得工作面礦壓顯現(xiàn)程度較大，一定程度上可能誘發(fā)沖擊地壓。大量工程實(shí)踐已經(jīng)表明［1-4］，提前弱化頂板巖層，保證其在采空區(qū)及時(shí)垮落，能夠一定程度上降低工作面煤巖體應(yīng)力水平，防治沖擊地壓的發(fā)生。工程實(shí)踐中常采用斷頂爆破、水壓致裂等措施對(duì)頂板進(jìn)行弱化。基于此，在大平煤業(yè)3111 工作面運(yùn)輸順槽開展水壓致裂弱化頂板，對(duì)厚層頂板不同位置進(jìn)行弱化，破壞頂板巖層完整性，減小工作面來壓步距，降低工作面運(yùn)輸順槽的礦壓顯現(xiàn)程度，保證工作面安全開采。

1 工作面概況

3111 工作面位于一采區(qū)北翼中部，如圖1 所示，其東部為3109工作面采空區(qū)，西部為實(shí)體煤區(qū)域，南部至三盤區(qū)大巷保護(hù)煤柱為界，北部為實(shí)炭區(qū)。工作面主采3-1煤層，平均埋深480～530 m，平均煤層厚度5.56 m，煤層傾角0°～3°，平均1.5°。工作面最大瓦斯涌出量為25.11 m3/min。

工作面切眼及2條順槽均采用錨網(wǎng)索支護(hù)，工作面直接頂為平均厚度8.12 m的砂質(zhì)泥巖，上覆厚度為10.69 m 與31.03 m 的細(xì)粒砂巖與中粒砂巖，強(qiáng)度較大，完整性好，不易垮落，如不采取弱化措施，工作面推采期間易發(fā)生強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)，影響工作面回采安全。

2 頂板弱化關(guān)鍵參數(shù)確定

為最大限度降低工作面開采過程中運(yùn)輸順槽超前影響區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)性，降低本工作面開采過程中的礦壓顯現(xiàn)程度，需對(duì)工作面上覆厚硬巖層采取水壓致裂措施，破壞頂板完整性。

大量研究已經(jīng)表明，工作面推進(jìn)過程中，老頂懸露面積越來越大，當(dāng)老頂巖層達(dá)到其極限強(qiáng)度時(shí)，形成“X”型破壞［5］，如圖2所示，頂板巖層在運(yùn)輸順槽后方形成弧形三角塊的懸臂梁結(jié)構(gòu)，因此需采用水壓致裂措施弱化弧形頂板的完整性，使其在采空區(qū)及時(shí)垮落，減小弧形頂板對(duì)運(yùn)輸順槽圍巖的作用。

垮落帶巖層厚度是垮落碎脹后能充滿采空區(qū)自由空間的巖層總厚度。根據(jù)3111工作面運(yùn)輸順槽頂板巖層賦存條件，設(shè)計(jì)鉆孔致裂層位如圖3所示。致裂鉆孔傾角為50°，孔深為41 m，致裂深度分別為7，27 和41 m，保證其中上覆巖層自重力產(chǎn)生的拉應(yīng)力作用下發(fā)生破斷。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，壓裂裂縫擴(kuò)展半徑一般在4～7 m，因此確定鉆孔間距為12 m。

3 水壓致裂效果分析

3.1 定向起裂裂縫形態(tài)分析

采用鉆孔窺視儀對(duì)致裂鉆孔起裂裂縫形態(tài)進(jìn)行觀測(cè)，觀察割縫刀具形成的起裂槽的性態(tài)，部分鉆孔起裂裂縫形態(tài)如圖4 所示，從圖4 中可以看出，致裂鉆孔切槽效果明顯，切槽位置出現(xiàn)明顯槽暈，起裂裂縫所在位置符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 裂縫擴(kuò)展范圍分析

3111 工作面運(yùn)輸順槽16#孔高壓水致裂過程中，水壓為26.5～29 MPa，通過鉆孔窺視儀觀測(cè)相鄰15#鉆孔孔中涌水情況，16#鉆孔壓裂15 min 時(shí)，15#鉆孔出現(xiàn)明顯“水汽”現(xiàn)象，見圖5 所示，繼續(xù)致裂，15#鉆孔孔口水流量明顯增大，如圖6所示。

圖7為壓裂完成后16#孔底觀測(cè)圖，圖7中可以看出，16#鉆孔致裂完成后，起裂裂縫附近雖沒有明顯破碎裂隙發(fā)育，但在拉應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生一定的環(huán)狀裂隙，同時(shí)預(yù)割裂隙開裂并向深部擴(kuò)展、延伸直至相互貫通，有效地對(duì)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行了分層，以達(dá)到預(yù)期效果。

3.3 礦壓控制效果分析

3111工作面已安裝KJ216型礦壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在工作面每間隔5 個(gè)支架布置1 個(gè)測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)支架的壓力變化。對(duì)3111 工作面運(yùn)輸順槽一側(cè)1#、2#、3#測(cè)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，各測(cè)站支架工作阻力隨工作面推進(jìn)的變化曲線如圖8所示。

將3 個(gè)測(cè)站的來壓情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1 所示。

通過分析工作面支架阻力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可知3111工作面運(yùn)輸順槽一側(cè)來壓步距為21.20～22.90 m，來壓動(dòng)載系數(shù)為1.14～1.20，運(yùn)輸順槽來壓強(qiáng)度較小，現(xiàn)場(chǎng)回采時(shí)未出現(xiàn)較大的礦壓顯現(xiàn)；與鄰近3109 工作面運(yùn)輸順槽相比，來壓動(dòng)載系數(shù)減小12%。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)3111 工作面運(yùn)輸順槽頂板巖層，設(shè)計(jì)致裂鉆孔傾角為50°，孔深為41 m，致裂深度分別為7，27 和41 m，保證其中上覆巖層自重力產(chǎn)生的拉應(yīng)力作用下發(fā)生破斷。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，壓裂裂縫擴(kuò)展半徑一般在4～7 m，因此確定鉆孔間距為12 m。

（2）通過分析起裂裂縫性態(tài)、鄰孔出水情況、礦壓顯現(xiàn)特征對(duì)水壓致裂卸壓效果進(jìn)行全過程的評(píng)價(jià)，起裂裂縫形態(tài)良好、鄰孔出水表明弱面擴(kuò)展范圍滿足卸壓要求，礦壓顯現(xiàn)程度減弱表明水壓致裂弱化了頂板巖層完整性，起到了防治沖擊地壓的作用。