銀河煤礦水力壓裂及深孔爆破初采放頂對比分析*

魚智讓，劉 飛，李春睿

(1.陜西銀河煤業(yè)開發(fā)有限公司，陜西 榆林 719000；2.天地科技股份有限公司，北京 100013)

0 引言

銀河煤礦目前開采3號煤層，煤層厚度6.2 m，采用大采高工藝開采。煤層直接頂為細(xì)砂巖，厚度5.1～7.6 m，深灰色厚層狀細(xì)砂巖，成分以石英為主、長石次之，具波狀層理。基本頂為中砂巖，厚度10.2～12.6 m，灰色中厚層狀長石砂巖，分選性中等，磨圓度為次棱角狀，孔隙式泥質(zhì)膠結(jié)，交錯層理。煤層埋藏深度為80～170 m，為典型的淺埋深、大采高、堅硬難垮落頂板條件。3號煤回采時，初采期間頂板難以冒落，人工強制放頂一直是該礦的難題[1-5]。厚層砂巖頂板整體性好，不易冒落，初次來壓劇烈、來壓步距大，有時甚至達到90 m懸頂，極易造成大面積來壓、壓死支架、颶風(fēng)傷人等災(zāi)害。

為了科學(xué)合理地對初采期間頂板進行人工處理，該礦嘗試了多種手段，比較有效的手段是水力壓裂和深孔爆破。為此，在30304工作面水力壓裂和30303工作面深孔爆破放頂進行現(xiàn)場工業(yè)試驗，以期為類似條件頂板的技術(shù)應(yīng)用提供參考。

1 水力壓裂初次放頂試驗

1.1 水力壓裂強制放頂方案

水力壓裂強制放頂方案分為切眼壓裂、順槽壓裂2部分。

1.1.1 切眼水力壓裂

切眼處的水力壓裂鉆孔分長孔壓裂和短孔壓裂，長短孔在剖面空間上呈現(xiàn)層次落差布置，鉆孔布置如圖1所示。長孔壓裂和短孔壓裂均在工作面切眼前幫頂角開孔，鉆孔為朝向工作面回采方向，方位垂直工作面切眼巷道、上仰布置。長孔壓裂鉆孔孔徑為60 mm，鉆孔深度為45 m，鉆孔與煤層水平夾角為30°，孔間距為20 m，開孔點距頂板下方200～300 mm，鉆孔編號L1～L15。短孔壓裂鉆孔孔徑為60 mm，鉆孔深度為35 m，鉆孔與煤層水平夾角為40°，孔間距為20 m，與深孔交錯布置，開孔點距頂板下方200～300 mm，鉆孔編號S1～S14。此外，工作面采寬較大，在切眼中部施工了6個增強孔，孔徑為60 mm，孔間距10 m，鉆孔深度為20 m，鉆孔與煤層水平夾角為60°。

圖1 初采強制放頂水力壓裂鉆孔布置平剖面

1.1.2 順槽水力壓裂

順槽鉆孔在工作面兩端頭的超前支護范圍布置，如圖 1所示。膠運順槽頂板預(yù)裂孔編號為A1～A2、S15～S17，共5個孔，孔深40 m，傾角為30°；回風(fēng)順槽頂板預(yù)裂孔編號為A3～A4、S18～S20，共5個孔，孔深40 m，傾角為30°。兩順槽水力壓裂的鉆孔孔口間距均為10 m，鉆孔孔徑為60 mm，鉆孔水平投影與巷道有一定的夾角，開孔點距離頂板200～300 mm。初采強制放頂?shù)乃毫雁@孔總進尺為1 655 m。

1.2 試驗效果分析

以銀河煤礦30304工作面為例，工作面推采至機頭18.9 m、機尾11.6 m，平均15.25 m時，采空區(qū)部分頂板開始分次垮落，垮落順序依次為6#～29#、29#～42#、42#～66#、66#～98#，從支架間觀測采空區(qū)垮落比較嚴(yán)實。當(dāng)工作面推采至20.5 m時，99#支架采空區(qū)向142#支架采空區(qū)依次垮落，垮落比較嚴(yán)實；當(dāng)工作面推采至機頭62.6 m、機尾50.2 m，平均56.4 m時采空區(qū)142#～152#架垮落嚴(yán)實，以后采空區(qū)直接頂緊隨工作面推進垮落。工作面在推采過程中液壓支架壓力普遍在28.2～29.5 MPa，最高壓力為30.9 MPa。通過水力壓裂工藝后，頂板未見明顯的初次來壓增高現(xiàn)象，整個初采期間來壓比較緩和，推測初次來壓步距為20.5m，說明水力預(yù)裂裂縫擴展距離較遠(yuǎn)，使完整巖體分層斷裂。

2 深孔爆破初次放頂試驗

2.1 深孔爆破強制放頂方案

銀河煤礦曾在條件類似的30303工作面采用深孔爆破的方式開展了初采強制放頂，主要工藝為在切眼頂板施工爆破孔。切眼頂板深孔爆破的打鉆時間為在工作面切眼掘成貫通之后、支架未安裝時，以便于鉆機容易擺放，在工作面切眼正上方的頂板提前施工好爆破孔[6]。在工作面動刀回采2～3 m后，工人在切眼支護的頂板下進行裝藥實施爆破預(yù)裂。30303切眼頂板的深孔爆破參數(shù)為：鉆孔采用孔徑94 mm鉆頭施工，鉆孔深度按18～30 m不同深度成組布置，布置了10組偏向于回風(fēng)順槽方向的鉆孔，炮孔仰角均為34°，30303工作面切眼長258 m，共布置 36個炮孔，共計施工炮孔總長度824 m。炮孔在切眼頂板中間呈現(xiàn)“一”字布置，炮孔的孔口間距為8 m，封泥長度為總長度的30%，裝藥不耦合系數(shù)為1.3。鉆孔布置如圖2所示。

圖2 初采強制放頂深孔爆破鉆孔布置平剖面

2.2 試驗效果分析

銀河煤礦30303工作面初采期間開展了深孔爆破強制放頂工作，炮孔分組裝藥共起爆了3次，爆破后工作面1#～8#架頂板未垮落，9#～15#架基本垮落完全，16#～90#架頂板未垮落，90#～99#架全部垮落，99#～117#架頂板未垮落，118#架至機尾段全部垮落，爆破后直接頂有2/3基本上未垮落。由于炮泥長度不夠和封堵不實，放炮后直接頂雖然未全部垮落，但是直接頂完整性已被破壞，產(chǎn)生了裂隙。當(dāng)工作面機頭推進13.2 m，機尾推進11 m后，采空區(qū)直接頂逐步全部垮落。此后，生產(chǎn)過程中直接頂隨工作面推進方向隨采隨落，垮落巖石填充高度基本與支架高度一致，有效降低頂板老頂來壓沖擊力。總體來說強制放頂效果較好，達到了預(yù)期的要求。

當(dāng)機頭推進76.7 m，機尾推進62 m時，工作面37#～65#架前后來壓，壓力在40 MPa以上，工作面出現(xiàn)強烈的抖動現(xiàn)象，人員能感覺到耳鳴，但采空區(qū)無明顯氣流吹出；當(dāng)機頭推進85.2，機尾73.6 m時，工作面51#～71#架前后有壓，壓力在35 MPa以上，工作面中部100#架附近采空區(qū)垮落，馬蒂爾處能感覺到耳鳴，機頭機尾都能感覺到采空區(qū)有風(fēng)流吹出，但風(fēng)流不大。當(dāng)機頭推進104.2 m，機尾推進99 m時，采空區(qū)大面積垮落，工作面人員出現(xiàn)耳鳴，機尾出現(xiàn)強勁風(fēng)流，有煤塵吹出。

根據(jù)以上來壓現(xiàn)象分析，工作面推進至62 m時老頂逐步開始斷裂，初次來壓步距約62 m。說明深孔爆破能夠有效地在切眼附近的頂板崩碎，但影響作用范圍有限。

3 水力壓裂與深孔爆破對比分析

3.1 水力壓裂與深孔爆破工藝對比

深孔爆破強制放頂是采用火工品為手段，操作工藝早已成熟、市場常見、應(yīng)用廣泛的初采期間頂板處理方法。其主要優(yōu)點是可以實現(xiàn)巖石的暴力崩碎，裂縫區(qū)域可掌控，哪里頂板堅硬針對哪里，強制放頂直接效果明顯；缺點為鉆孔太深后造成裝藥極其困難，裝藥時一旦塌孔、卡堵，將帶來不可預(yù)知的安全隱患[7]，此外火工品目前管控嚴(yán)格，采購審批手續(xù)困難；且大量炸藥爆破后造成一氧化碳超標(biāo)、污染空氣，高瓦斯礦井采用該工藝時安全隱患較多。

水力壓裂強制放頂是近些年逐步推廣的頂板控制技術(shù)，還未形成簡便、易于操作的成套技術(shù)及裝備，尤其是泵站笨重、高壓管路繁雜，高壓閥組操作需專業(yè)隊伍進行。該工藝的主要優(yōu)點在于裂縫擴展范圍大，可達30 m，且不用審批采購雷管和炸藥等火工品，適用條件廣泛，尤其對于高瓦斯等條件復(fù)雜礦井，工藝安全性好，不會帶來一氧化碳超限等問題，缺點為裂紋數(shù)量少，擴展方向及裂縫形態(tài)無法給定，且施工效果無法直接體現(xiàn)，必須回采后根據(jù)頂板冒落情況驗證[8-12]。

由于深孔爆破放頂和水力壓裂放頂工藝的不同和原理的區(qū)別，通過對比銀河煤礦30303和30304工作面可知，初采強制放頂過程中，水力壓裂相比爆破工藝而言，采空區(qū)直接頂開始垮落時間滯后、但頂板垮落范圍隨推進長度增加逐步擴大；工作面初次來壓后水力壓裂相比爆破工藝，采空區(qū)地表沉降開始時間滯后，但在實際初采過程中，由于采空區(qū)垮落范圍由小到大，隨工作面推進逐步垮落嚴(yán)實，水力壓裂具有后發(fā)優(yōu)勢。采用水力壓裂工藝，生產(chǎn)過程中除垮落聲響及工作面膠運端頭產(chǎn)生氣流外，沒有明顯感覺到工作面氣流變強、采空區(qū)未見沖擊力增大或形成颶風(fēng)等不安全情形，初采過程整體效果較好。

3.2 優(yōu)缺點比較

深孔爆破鉆孔施工量較少，鉆孔總進尺占據(jù)一定優(yōu)勢，但增加了人工裝藥、封泥、起爆的工程量1～2 d；采用水力壓裂開展初采強制放頂技術(shù)，共需在切眼和兩順槽施工鉆孔30個，鉆孔總進尺為1 655 m；而采用深孔爆破強制放頂技術(shù)，共需在切眼施工鉆孔36個，鉆孔總進尺為824 m。綜合對比水力壓裂和深孔爆破工藝，水力壓裂初采強制放頂在銀河煤礦的頂板條件下效果更好。水力壓裂后未見明顯的初次來壓現(xiàn)象，基本頂初次來壓步距推測為20.5 m，來壓強度緩和，工作面兩端頭未見三角區(qū)懸頂現(xiàn)象；而深孔爆破強制放頂后，基本頂初次來壓步距為62 m，支架壓力增加明顯，來壓時工人感覺到有強勁風(fēng)流吹出。水力壓裂不受火工品供應(yīng)的限制，綠色、安全、環(huán)保。深孔爆破工藝會產(chǎn)生一氧化碳超限，帶來大量有毒有害氣體，污染井下空氣，且施工過程中存在殘炮、拒爆等安全隱患，尤其在高瓦斯礦井更應(yīng)慎重。水力壓裂對巖石的致裂范圍大、裂縫擴展遠(yuǎn)，能夠起到將厚層完整巖石分層預(yù)裂的效果，緩和來壓強度。

4 結(jié)語

通過銀河煤礦采用上述2種工藝進行強制放頂?shù)膶Ρ龋羁妆茝娭品彭敿夹g(shù)的優(yōu)點是對地質(zhì)條件、頂板強度、巖性的適應(yīng)性好，缺點是需要回采面停采1～2 d等待該工藝的施工，裝藥、封泥等人工勞動力大，安全隱患較多，易產(chǎn)生有毒有害氣體；且操作控制不當(dāng)，極易導(dǎo)致殘炮拒爆等現(xiàn)象，此外，對于高瓦斯礦井還應(yīng)采取專項措施。而水力壓裂初采強制放頂技術(shù)特點是適用于頂板完整性較好的巖層，不受火工品采購審批限制，總體來說具有成本低、可控性好、操作安全，超前預(yù)裂不會影響工作面正常回采，對于降低來壓強度方面效果明顯。可見水力壓裂工藝更適合銀河煤礦的初采強制放頂。但值得注意的是，開展水力預(yù)裂過程前，應(yīng)對巷道圍巖帶來的次生隱患進行預(yù)估；例如本次切眼頂板預(yù)裂過程中，巷道反復(fù)出現(xiàn)鱗皮、掉渣及片幫等隱患，增加了新的安全風(fēng)險。此外，科學(xué)合理地安排施工進度，尤其工作面設(shè)備安裝過程中，搬運安裝支架、來往車輛經(jīng)常與水力預(yù)裂工程相互存在一定交叉影響。