基于水壓致裂技術(shù)的采場堅硬頂板控制實踐

張經(jīng)緯

（汾西礦業(yè)集團水峪煤業(yè)，山西 孝義 032300）

0 引言

隨著采掘工藝及技術(shù)設(shè)備的不斷發(fā)展，我國井工煤礦各類型災(zāi)害事故均得到顯著控制，但由于頂板事故面多點廣，零星頂板事故仍然較為多發(fā)，且有約80%的頂板事故是發(fā)生在回采工作面。尤其是在我國各大礦區(qū)，堅硬頂板分布較為廣泛，容易產(chǎn)生采空區(qū)懸頂、大范圍頂板突然冒落等現(xiàn)象，容易引發(fā)采場強礦壓顯現(xiàn)，甚至造成人員傷亡事故。因此，必須高度重視回采工作面的頂板管理工作，尤其是當(dāng)?shù)貞?yīng)力高、頂板堅硬或者過斷層等地質(zhì)構(gòu)造時，更應(yīng)重視礦壓觀測及頂板管理工作，必要時還必須采取人為的頂板弱化等特殊措施[1-3]。針對汾西礦業(yè)集團某礦2202 工作面易發(fā)生懸頂及強礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)狀，在分析其礦壓顯現(xiàn)特征的基礎(chǔ)上，制定水壓致裂頂板弱化方案，并進行工業(yè)性試驗，確保了2202 工作面的安全生產(chǎn)。

1 2202 工作面概況

礦井2208 工作面主采4-2 號煤層，工作面范圍內(nèi)煤層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，埋深介于320～390 m，平均厚度5.4～7.2 m，平均6.12 m，平均傾角8.5°，采用走向長壁后退式采煤法，綜采放頂煤工藝，自然垮落法管理頂板，主力架型為ZFY18000/25/39D 放頂煤支架。工作面走向長度1 150 m，傾向長度160 m。工作面機采3.7 m，放煤2.2 m，采放比1.0:0.6。工作面頂板整體分布穩(wěn)定，鉆孔柱狀圖如表1 所示，直接頂為平均厚度8 m 的砂質(zhì)泥巖，層狀分布，深灰色；老頂為平均厚度12 m 的粉砂巖，灰色，巨厚層狀結(jié)構(gòu)；底板為平均厚度4 m 的砂質(zhì)泥巖，遇水易膨脹。在日常工作中，加強對工作面的礦壓觀測及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析，統(tǒng)計顯示，工作面初次來壓步距達到45 m，平均來壓持續(xù)距離超過5 m，初次來壓時統(tǒng)計到的最大工作阻力達到43.8 MPa，最大動載系數(shù)達到1.73。初次來壓時，各類礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象十分突出，例如，工作面出現(xiàn)大范圍煤壁片幫，片幫深度最大超過500 mm，液壓支架活柱下縮量最大達到45 mm，約5 成的液壓支架安全閥開啟。統(tǒng)計到的前7 次周期來壓步距平均為23 m，持續(xù)距離3～5 m，來壓期間液壓支架平均工作阻力達到25～42 MPa，平均為28 MPa，平均動載系數(shù)達到1.45。總體來說，工作面初次來壓及周期來壓步距過大，采空區(qū)懸頂現(xiàn)象較為嚴重，工作面來壓呈現(xiàn)出較為典型的強礦壓現(xiàn)顯特征。

表1 2202 工作面鉆孔柱狀圖

2 工作面強礦壓機理分析

2202 工作面在初采過程中，就發(fā)現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)較為劇烈。根據(jù)經(jīng)典礦壓理論，采場向前推進時，上覆巖層載荷由兩部分承擔(dān)，一是采場前方煤體，二是采空區(qū)冒落矸石，同時，部分載荷需要由液壓支架來承擔(dān)，由于工作面老頂為12 m 的巨厚層狀粉砂巖，回采后懸頂面積大，形成的上部載荷也隨之增大，老頂巖板的回轉(zhuǎn)下沉?xí)σ簤褐Ъ苄纬奢^大的動態(tài)載荷和靜態(tài)載荷，在前方煤體中形成的支承應(yīng)力也會顯著增加，根據(jù)實測礦壓數(shù)據(jù)，繪制煤壁前方支承應(yīng)力分布曲線（非來壓期間），如圖1 所示。據(jù)圖分析，支承應(yīng)力的影響范圍即應(yīng)力升高區(qū)達到20 m，峰值點距離煤壁7～8 m，峰值應(yīng)力達到27 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達到2.2。

圖1 2208 工作面超前支承應(yīng)力分布示意圖

同時，根據(jù)工作面的礦壓顯現(xiàn)特征，工作面中部的礦壓顯現(xiàn)強度明顯高于兩端，且來壓強度大，持續(xù)時間長，呈現(xiàn)出強礦壓顯現(xiàn)特征，需要根據(jù)2202 工作面的具體條件，針對性實施頂板弱化措施，人為控制來壓的步距，從而有效降低來壓強度。

3 水壓致裂頂板弱化方案設(shè)計及應(yīng)用

基于工作面具體地質(zhì)生產(chǎn)條件及強礦壓顯現(xiàn)機理分析，對水壓致裂頂板弱化方案進行設(shè)計。

3.1 水壓致裂頂板弱化方案設(shè)計

水力壓裂技術(shù)是煤層增透瓦斯高效抽采和堅硬頂板強礦壓災(zāi)害治理的有效手段。“十三五”以來，煤礦井下定向長鉆孔分段水力壓裂技術(shù)與裝備研發(fā)及工程示范應(yīng)用等方面取得了長足進展，在煤層區(qū)域增透瓦斯高效抽采、堅硬頂板強礦壓（沖擊地壓）區(qū)域弱化治理、上覆遺留煤柱卸壓防治和堅硬煤層放頂開采等方面取得了較好應(yīng)用效果。針對2202 工作面的強礦壓顯現(xiàn)問題，設(shè)計的水壓致裂方案如圖2 所示，具體為：在一個壓裂作業(yè)周期內(nèi)，在工作面運輸巷聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)設(shè)置2 個鉆場，各設(shè)3 個鉆孔，各鉆孔壓裂長度介于300～500 m，總長度超過2 600 m，有效壓裂距離達到534 m。

圖2 水壓致裂頂板弱化方案設(shè)計示意圖

3.2 水壓致裂后礦壓顯現(xiàn)控制效果分析

對比水壓致裂前后工作面的主要觀測指標，以兩次典型周期來壓時的指標為例，對比情況如表2 所示，可知：實施水壓致裂前工作面中部的礦壓顯現(xiàn)強度明顯高于兩端，中部來壓步距達到26 m，上部及下部分別為22 m、20 m，平均為23.4 m；最大工作阻力為41 MPa，出現(xiàn)在工作面中部，最低出現(xiàn)在上部，為33 MPa，平均為37.4 MPa；動載系數(shù)最大出現(xiàn)在中下部，達到1.45，最小出現(xiàn)在上部和中上部，為1.35，平均為1.4。實施水壓致裂后，工作面各區(qū)域來壓步距、工作阻力、動載系數(shù)分布較為均衡，整體來說中部來壓強度還是強于兩端，但差別較水壓致裂前明顯減小，周期來壓期間平均步距為21 m，減小2.4 m；最大工作阻力平均為35.2 MPa，減小2.2 MPa；動載系數(shù)平均為1.33，減小0.07。可見，實施水壓致裂后，工作面來壓強度整體降幅明顯，且在整個工作面范圍內(nèi)分布更為均衡，壓裂效果較好。

表2 水壓致裂前后部分礦壓指標對比

4 結(jié)語

水壓致裂弱化頂板是處理堅硬頂板強礦壓顯現(xiàn)的有效手段，通過2202 工作面礦壓顯現(xiàn)特征分析，發(fā)現(xiàn)工作面來壓時中部的礦壓顯現(xiàn)強度明顯高于兩端，采空區(qū)懸頂現(xiàn)象較為嚴重，且來壓強度大，持續(xù)時間長，工作面液壓支架安全閥開啟現(xiàn)象頻繁，煤壁片幫范圍廣、深度大，呈現(xiàn)出強礦壓顯現(xiàn)特征。基于工作面具體地質(zhì)生產(chǎn)條件及強礦壓顯現(xiàn)機理分析，對水壓致裂頂板弱化方案進行設(shè)計，并實施具體的工業(yè)性試驗，對水壓致裂前后的礦壓顯現(xiàn)特征進行對比分析，工作面平均周期來壓步距減小2.4 m，最大工作阻力減小2.2 MPa，動載系數(shù)減小0.07。可見，實施水壓致裂后，工作面來壓強度整體降幅明顯，且在整個工作面范圍內(nèi)分布更為均衡，壓裂效果較好，技術(shù)及安全效益顯著，為處理堅硬頂板大面積懸頂提供了一種行之有效的方法。