治理特厚煤層孤島工作面強礦壓問題的研究實踐

景 鵬

（晉能控股煤業集團生產技術部 山西 大同 037003）

1 引言

回采期間發生強礦壓現象的根源在于垮落帶范圍內存在有厚硬巖層，這些厚硬巖層垮落步距大，回采過程中堅硬巖層下部采場覆巖垮落巖石不能充滿采空區存在自由空間，形成大空間采場，尤其是特厚煤層孤島工作面又因兩順槽相鄰煤柱均采空，垮落過程中來壓表現更為強烈，導致臨空順槽超前支護應力集中顯現相對嚴重，傳統礦壓治理措施無法滿足該類工作面正常回采，本文以晉能控股煤業集團同忻煤礦8102孤島工作面實施地面鉆井復合壓裂弱化堅硬頂板技術研究實踐為背景，取得的實踐成果對其他存在堅硬頂板下特厚煤層孤島綜放工作面安全回采起到了良好的示范借鑒作用。

2 工作面基本情況

同忻8102孤島工作面位于一盤區東側，回采煤層為C3-5#層，煤層厚度平均18.08 m，地面標高為1 195.5 m～1 279.8 m，工作面標高為786 m～796 m，工作面走向長度1 516 m，傾斜長度251 m，東部為實煤區，北部為8103工作面采空區（6 m小煤柱布置），西部為三條盤區大巷，南部為8101工作面采空區（6 m小煤柱布置），工作面老頂為中粗粒砂巖，平均厚度為10.32 m、主要成分石英、長石等。上部對應侏羅系14#層為永定莊礦 8218、8216、8214、8212、8210、8207、8205、8203 工作面采空區，與該層間距為144 m～159 m。對應侏羅系15#層為永定莊礦8918 工作面采空區，與該層間距為120 m～130 m，工作面位置如圖1所示。

圖1 工作面位置示意圖

3 同忻8102工作面礦壓分析

同忻8102 孤島工作面（6 m 小煤柱布置），北部為8103工作面采空區（已于2014年1月回采完畢），目前穩定期為6年。南部為8101工作面采空區（已于2010年6月回采完畢），目前穩定期為10年。

同時針對同忻一盤區工作面冒落帶的形成高度，采用大地電磁法對8105 工作面回采過程中頂板垮斷情況進行了監測，監測結果如圖2所示。

圖2 不同觀測階段時的工作面上覆巖層特征

3.1 掘進期間應力顯現情況。

同忻8102工作面，兩順槽分別為5102巷（于2018年6 月開口掘進）和2102 巷（于2018 年11 月開口掘進），兩順槽在掘巷過程中未發現應力集中區，2019年8月圈出工作面，巷道整體成型較好，部分過地質構造（斷層）地段頂板比較破碎，已加強支護，經過長期觀測無頂板離層及巷道位移變形。

3.2 回采期間應力分布

8102 工作面在開采過程中受上覆礦界煤柱和14#層采空區煤柱應力、8101 側向應力、8103 側向應力以及自身超前支承壓力等多重應力影響，2102巷和5102巷會發生變形。

3.2.1 上覆煤柱影響分析

同忻8102孤島工作面上覆存在兩類煤柱，第一類為永定莊礦侏羅系14#層8209 采空區、8211 采空區、8213采空區、8215采空區、8217采空區、8219采空區之間的面間煤柱。第二類為永定莊礦侏羅系14#層三條盤區大巷煤柱，影響范圍較大。由于上覆大量煤柱的存在，導致工作面部分地段出現應力集中，具體煤柱分布情況如下（見圖3）。

圖3 8102工作面與上覆永定莊礦侏羅系層間對照圖

3.2.2 超前支承壓力分析

同忻8102 孤島工作面回采大同礦區石炭～二疊紀系C3-5#層，根據同層位相鄰工作面回采過程前支承壓力分析，該工作面回采過程中預計超前應力影響范圍約為100 m。

3.2.3 側向應力分析

同忻8102工作面兩側為8101工作面和8103工作面采空區，均留設6 m的小煤柱，受8101側向應力以及8103 側向應力集中影響，且8101 和8103 工作面在回采期間未對與8102工作面相鄰的順槽進行退錨，容易在初次來壓“O-X”型破斷和多次周期來壓后形成未垮落的三角形懸板，三角形懸板具體分布情況（見圖4）。

圖4 三角型懸板示意圖

8101 和8103 兩順槽存在未垮落的三角形懸板，8102 工作面在開采過程中，受超前和側向采動影響，三角形懸板會不定時的滑落和失穩，容易造成兩臨空巷出現應力顯現和悶墩聲。

3.2.4 綜合分析

綜上所述，同忻8102孤島工作面受多重應力的影響，礦壓規律復雜，回采難度大，為此開展地面鉆井水壓致裂關鍵層，以破壞老頂完整性，使其充分垮落，降低工作面及兩順槽來壓強度，解決頂板應力顯現明顯問題。

4 地面鉆井高位致裂方案

4.1 設計依據

4.1.1 平面布井依據

通過對同一盤區8105 工作面回采過程中礦壓觀測可知，老頂的初次來壓步距約為130.8 m，周期來壓步距約為18.3 m 左右，并結合上覆頂板運動的微震監測結果分析，得出特厚煤層回采動壓影響范圍為工作面煤壁前方50 m～60 m 范圍，對上覆頂板影響高度在170 m左右。

8102 工作面傾向長251 m，如采用地面鉆井高位致裂，一般影響范圍為100 m～150 m左右，從而得出第一個井部署在距離工作面切眼距離約58 m，并布置工作面中部。

4.1.2 致裂層位

為有效解決同忻礦8102 工作面回采過程中可能遇到的強礦壓問題，本次地面水力壓裂目標層應為處于工作面垮落帶范圍內的厚硬巖層，以達到弱化頂板結構強度，減小頂板垮落步距，降低礦壓顯現程度，消除安全隱患的目的。

基于“巖石碎脹系數法”計算特厚煤層綜放工作面垮落帶高度，垮落帶計算公式為:

其中，M為工作面采厚，η為回采率，Kk為煤、巖綜合碎脹系數。

8102工作面附近孔顯示煤層平均厚度約為18 m，回采過程中頂煤全放，因此工作面采厚為18 m，回采率為0.89，巖石碎脹系數為1.25～1.4，代入垮落帶計算公式得，垮落帶高度為40.05 m～64.08 m。

根據收集的資料，8102工作面上覆永定莊侏羅系各可采煤層采空區，下部14#層到3-5#煤層層間距105 m～185 m。以1508 號鉆孔柱狀圖為依據，通過對照分析3-5#煤層頂板0～80 m范圍內厚硬巖層所處層位，確定地面垂直井壓裂目標層位為：

（1）距3-5#煤頂板78.5 m處厚13.7 m的中粒砂巖；

（2）距3-5#煤頂板66.5 m處厚12 m的細礫巖；

（3）距3-5#煤頂板50.2 m處厚8.53 m的中礫巖。

4.2 設計方案

在工作面中部從切眼至停采線位置沿走向方向每間隔200 m 施工一口垂直鉆井，直至3-5#煤層頂板，8102 工作面走向長1 399 m，共設計施工3 個垂直鉆井，依次編號為TX1～TX3。（參數見表1，位置見圖5）

表1 鉆孔位置參數

圖5 垂直鉆孔施工位置示意圖

4.2.1 井位部署

本方案主要目的是壓裂破壞頂板穩定性，同時為避免對下部煤層回采產生影響，完鉆層位為3-5#煤上部，不揭露3-5#煤層，完井深度按照3-5#煤底板深度向上約20 m計算。

4.2.2 壓裂工程

地面鉆井工程施工完畢后，要進行壓裂工程施工。

（1）壓裂設計思路

為實現弱化關鍵層，減弱工作面來壓強度，同忻礦目標層壓裂設計思路如下：根據施工目的要求，設計采用水力加砂復合壓裂的方式進行施工。對關鍵層采用大排量注入壓裂液進行水力壓裂，通過水力壓裂造縫，來壓開關鍵層，減少或消除關鍵層應力集中現象。為增強壓裂效果，有助于裂縫延伸，在壓裂施工中考慮加入一定量的細砂作為支撐劑，一方面利用細砂可降低液體濾失，提高液體效率；另一方面通過細砂對裂縫壁面的打磨可有效減少彎曲裂縫的產生，利于造長縫。水力噴砂射孔壓裂技術優點是：1、無需單獨射孔，直接噴砂壓裂完成射孔壓裂作業，射孔、壓裂一次完成；2、施工時只需下一次管柱，一套工具，可解決多層射孔壓裂作業；3、施工時間短。

（2）壓裂過程重點問題解決方案

壓裂施工過程中，泵注的壓裂液大量地被漏失，并且隨著全裂縫的擴展，會形成眾多的微裂縫，壓裂液的漏失量將越來越大，當漏失量與泵注量平衡時，主裂縫不再延伸，要使裂縫繼續擴展，必須增大泵注排量或改變壓裂液的性能，增加泵注排量和降濾是最常采用的方法。

5 地面鉆井高位致裂效果

為進一步檢驗地面直壓裂效果，對地面井壓裂過程中進行微地震裂縫監測。

5.1 監測成果

根據壓裂方案設計，從目的層壓裂施工開始，打開微裂縫監測系統進入監測狀態，此時系統對微震波進行自動采集、波形記錄、處理數據及實時顯示狀態，目的層壓裂施工結束，保存數據關機。

5.1.1 第一層監測成果（層位：47.5 m～55.8 m）：

圖6 TXZL-01井壓裂第一層監測成果

表2 TXZL-01井壓裂第一層監測成果表

裂縫的時間累積成像以壓裂施工進程的1/5時段間隔成圖，由圖7 可知：東西兩翼裂縫對稱發育，裂縫走向基本一致。

圖7 TXZL-01井壓裂第一層裂縫時間累積成像

5.1.2 第二層監測成果（層位：59.05 m～68.65 m）

裂縫的時間累積成像以壓裂施工進程的1/5時段間隔成圖，由圖可知：東西兩翼裂縫基本對稱發育；裂縫走向一致，西翼遠端存在非連通性縫網。

5.1.3 第三層監測成果（層位：71.25 m～87.9 m）

裂縫的時間累積成像以壓裂施工進程的1/5時段間隔成圖，由圖可知：裂縫規模較小，主要集中在壓裂段附近，向外擴展受限；遠處存在幾處能量集中區域，無法確定是否是裂縫延展所致。

5.2 分析結論

從監測所看：第一層壓裂所形成裂縫最為理想，裂縫走向基本一致；第二層壓裂所形成裂縫規模次于第一層，所得微震事件個數較第一層相差較多，分布較為稀疏；第三層監測效果較差，所得微震事件個數偏少，裂縫走向從監測結果看有受到第一、二層的影響。

6 應用效果

由于預先破壞了工作面初采時頂板的完整性，縮小了初采時頂煤的初次垮落步距，頂煤提前回收，同時減小了頂板懸露面積，縮小了頂板初次垮落和初次來壓步距，防止或減弱了大面積頂板來壓隱患來壓前減小了兩順槽超前壓力，開采過程中，巷道變形量明顯減弱，未受強礦壓影響，并且兩順槽巷道變形減弱，降低了維護成本和修巷成本，為實現安全、高效回采創造有利條件。

7 結論

綜上所述，地面鉆井復合壓裂弱化堅硬頂板技術，可有效解決特厚煤層孤島工作面回采時強礦壓顯現問題，降低工作面來壓顯現強度，緩解臨空順槽超前支護應力集中顯現嚴重等問題。