三元中能煤業1308工作面回風巷水壓致裂方案研究

付春陽

(山西三元煤業股份有限公司 下霍煤礦，山西 長治 047100)

三元中能煤業位于山西省長子縣，開采沁水煤田的3號煤層。該礦1308工作面初采期間，工作面兩側均為實體煤，且煤層埋藏較淺，頂板完整性較好，初次來壓步距接近60 m.由于回采巷道兩側為實體煤，巷道頂板未受二次采動影響，同時由于巷道支護強度大，使頂板完整性進一步提高，因此，在巷道進入采空區后，端頭頂板難以及時垮落，造成較大范圍空頂。

水力壓裂作為經濟有效的堅硬難垮落頂板控制技術，已在國內外推廣應用，實踐證明是成功有效的。水力壓裂可有效弱化堅硬頂板、破壞其完整性，削弱頂板的強度和整體性，使采空區頂板能夠分層分次垮落，縮短初次來壓和周期來壓步距，達到減小或消除堅硬頂板對工作面回采危害的目的[1]。

基于以上背景，擬對1308工作面回風巷實施水力壓裂頂板弱化試驗研究，以期得到工作面端頭頂板管理方法，提升礦井工作面頂板管理水平。

1 工作面概況

1.1 工作面基本參數

1308回采工作面布置在一采區3號煤層中，東臨井田邊界保護煤柱，西距1303工作面采空區124.1 m，北面為北張村煤柱邊界。煤層埋藏深度平均305 m，平均厚度為5.49 m。工作面位置如圖1所示。

圖1 1308工作面位置示意

1308工作面回風巷長度為734.2 m，工作面長250 m，可采長度618.8 m，可采面積154 700 m2.

1.2 煤層賦存條件

1308工作面隸屬3號煤層，距煤層底板0.6 m處有1層較為穩定的夾矸，其厚度為0.15～0.4 m，平均0.28 m，巖性為泥巖或炭質泥巖。煤層頂板為砂質泥巖、泥巖或粉砂巖，局部為不同粒級的砂巖；底板為砂質泥巖、粉砂巖、泥巖，局部為細粒砂巖。煤層厚度穩定，煤層結構簡單。

1.3 巷道布置方式及支護參數

本工作面風、運兩巷均沿頂板掘進，沿傾向布置，運巷長698.8 m，風巷長734.2 m；切眼長252.2 m，沿走向布置，工作面標高為682～747 m.運巷為錨網——錨索聯合支護，斷面呈矩形，寬×高=5.2 m×3.6 m(凈尺)，頂板錨桿間排距為900 mm×1 000 mm，錨索間排距為1 500 mm×1 000 mm，風巷為錨網——錨索聯合支護，斷面呈矩形，寬×高=5.0 m×3.3 m(凈尺)，頂板錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm，錨索間排距為1 500 mm×1 000 mm.

2 1308回風巷水壓致裂方案研究

2.1 水壓致裂工藝參數確定

考慮到水壓致裂技術沒有在三元中能煤礦的應用經驗，出于安全性考慮，第一次試驗方案制定較為保守，具體方案如下：

1) 水力壓裂鉆孔布置。高壓注水泵位于1308工作面回風巷內，高壓膠管共200 m，可實現整個巷道鉆孔的水壓致裂。水壓致裂孔布置如圖2所示。鉆孔每組1個孔，鉆孔貼近外幫打設，開孔位置距上隅角側煤壁1 000 mm位置，鉆孔仰角均為45°，沿工作面推進反方向打設，鉆孔深度40 m.孔距10 m，孔徑65 mm.

2) 水壓致裂參數確定。由于水壓致裂工作在巷道超前完成，為了保證巷道頂板安全，初期壓裂參數較為保守，每個鉆孔壓裂6～7次，每段壓裂3 m，壓力達到12～20 MPa，孔底1 m不壓裂，壓裂距離18～40 m，致裂高度為13～28 m.

3) 鉆孔施工量。根據1308工作面回采情況，回風巷水壓致裂鉆孔共施工鉆孔50組，命名為A1～A50，總施工量2 000 m.施工時間為2019年6月28日—8月12日。

2.2 參數優化方案

由于前幾組水壓致裂施工后，端頭進入致裂段后，端頭懸頂范圍依然較大，在分析原因及超前巷道變形量觀測結果的基礎上，對水壓致裂方案進行優化，分別進行了3次調整：

1) 第一次參數調整：由于A孔施工初期，考慮到盡可能保證超前巷道頂板安全，A5～A20鉆孔壓裂次數控制在6～7次，鉆孔致裂范圍為距孔底18～40 m，致裂高度為巷道頂板上方13～28 m位置，由于致裂高度過高，造成回風巷端頭大范圍懸頂。7月8日，對施工參數進行調整，保證每個A鉆孔致裂次數10次，致裂深度距孔底12～40 m，致裂高度巷道頂板上方8.5～28 m，并對A11孔～A20孔進行補壓，端頭垮落效果得到改善。

2) 第二次參數調整：7月17日A4孔剛進入采空區，受壓裂次數較少及退錨方式影響，端頭出現較大懸頂，為保證A4～A10孔影響范圍內端頭頂板的垮落效果，再次對施工參數進行調整，7月18日在工作面超前支護段外補打B孔，孔深40 m，角度30°，間距10 m，致裂次數9次，鉆孔致裂范圍為距孔底，15～40 m，致裂高度7.5～20 m，7月23日B孔致裂影響區進入采空區，端頭頂板隨采隨垮，效果明顯。

3) 第三次參數調整：8月中旬，端頭頂板懸頂面積增大，主要位于靠近外幫0.5～1 m范圍頂板未能及時垮落，長度接近20 m，對原致裂方案進行調整，在超前支護段外補打2個B孔和20個C孔，C孔位于外幫與頂板肩窩處，深度2 m，角度60°，間距2 m.當端頭垮落效果不好時，對位于工作面超前的C孔進行補壓，以提高對端頭三角區頂板的治理效果。

B孔及C孔參數如圖3所示。

3 定向水壓致裂效果分析

為了分析水壓致裂對端頭頂板的預裂效果以及超前水壓致裂對巷道頂板的破壞情況，分別對端頭懸頂范圍統計、頂板裂隙發育鉆孔窺視觀測結果進行分析[2]。

3.1 端頭懸頂范圍分析

1308回風巷頂板跨落通過水力壓裂切頂技術施工后，采空區頂板跨落已經形成較為穩定的周期跨落，初次跨落間距約為8～12 m，周期垮落間距為4～8 m，較工作面不采取措施的情況下大幅縮短，如表1所示。

表1 施工期間回風巷采空區跨落情況

3.2 鉆孔窺視頂板裂隙發育特征研究

對水壓致裂前后頂板鉆孔的裂隙發育規律進行了鉆孔窺視試驗，由窺視結果可以看出，致裂后，原鉆孔裂隙發生明顯的擴展，并有大量新生裂隙產生，能夠有效破壞頂板完整性，有利于頂板的及時垮落。

4 結 語

此次在1308回風巷的定向水壓致裂取得了較為明顯的效果，但由于受初期所布置的主孔A孔致裂高度過高、末采期間定期爆破強制放頂以及巷道高強度支護的影響，水壓致裂后端頭懸頂并未達到預期隨采隨冒的技術要求，需開展進一步研究工作及現場試驗工作，得出端頭頂板的垮落規律及最優致裂參數，實現三元中能煤業工作面端頭懸頂問題的根本治理。

1) 由于水壓致裂技術尚未在三元中能煤業使用，沒有可供參考的實施經驗，因此需針對1308工作面現場條件，首次水壓致裂方案較為保守，每10 m布置1個40 m深鉆孔，致裂高度為13～28 m，施工至7月中旬時，端頭頂板垮落效果不好，對水壓致裂方案進行了優化，在兩個A孔之間補打B孔，并對A孔進行補壓，改善了端頭頂板的垮落效果。

2) 8月中旬回風巷端頭懸頂面積擴大，對方案進行了二次優化，在原有A孔的基礎上補打了10個A補孔和18個C孔，獲得最優的致裂方案。

3) 根據水壓致裂后現場觀測情況可知，端頭頂板垮落具有一定的周期性，垮落步距約為4～8 m，與1308運輸巷相比，端頭懸頂面積明顯降低，有助于礦井安全風險的降低和頂板管理水平的提升。