堅硬K2灰巖頂板水壓致裂強制放頂設計與應用

摘 要：【目的】鐵新煤業9226工作面回采后端頭區域堅硬K2灰巖頂板難以正常垮落，在工作面后方懸露較大空頂區域，威脅工作面作業安全，需要對其進行水壓致裂強制放頂處理。【方法】針對9226工作面端頭長距離懸頂帶來的安全隱患，根據9226工作面堅硬K2灰巖頂板工程地質條件，通過理論計算方法設計9226工作面超前水壓預裂參數，確定超前水壓預裂實施流程，開展現場試驗和觀測。【結果】結果表明，水壓致裂放頂技術解決了9226工作面后方厚硬石灰巖頂板難以及時垮落的問題，保證了工作面推進速度。【結論】本研究為水壓致裂技術在類似條件煤炭開采中的推廣應用奠定了基礎。

關鍵詞：厚硬懸頂；超前預裂；水壓致裂；參數設計；現場應用

中圖分類號：TD323 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）19-0034-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.19.007

Design and Application of Forced Caving for Hard K2 Limestone Roof by Hydraulic Fracturing

CHEN Xiaoyun

（Shanxi Poly Tiexin Coal Industry Co.， Ltd.， Jinzhong 030600， China）

Abstract： [Purposes] The hard K2 limestone roof in the rear end area of the 9226 working face of Tiexin Coal Industry is difficult to collapse normally， resulting in a large empty roof area hanging behind the working face， which poses a threat to the safety of the working face operation，and it needs to be forced caving by hydraulic fracturing.[Methods] In response to the safety hazards caused by the long-distance suspended roof at the end of the 9226 working face， based on the engineering geological conditions of the hard K2 limestone roof of the 9226 working face， the advanced water pressure pre-splitting parameters of the 9226 working face were designed through theoretical calculation， and the implementation process of the advanced water pressure pre-splitting was determined. Field practice and observation were carried out.[Findings] The results showed that the hydraulic fracturing roof release technology solved the problem of difficult timely collapse of the thick and hard limestone roof behind the 9226 working face， ensuring the advancing speed of the working face. [Conclusions] This study lays the foundation for the promotion and application of hydraulic fracturing technology in coal mining under similar conditions.

Keywords： thick and hard suspended roof; advance pre-splitting; hydraulic fracturing; parameter design; on site application

0 引言

工作面開采后，頂板巖層會在礦山壓力和自重應力作用下發生回轉變形和垮落，形成初次來壓和周期來壓［1-2］。當上覆頂板強度較高、厚度較大、賦存完整時，在工作面推進過后往往難以及時垮落，進而在采空區形成較大空頂空間，給前方工作面和巷道帶來較強的集中應力和造成更強烈的礦壓顯現，成為困擾著工作面安全生產的主要問題之一［3-4］。同時，采空區懸露頂板也為瓦斯積聚提供了空間，極易導致工作面端頭區域瓦斯超限，影響工作面正常推進和安全［5-6］。我國約有三分之一的煤礦在開采過程中受到堅硬頂板的困擾［7-8］。根據治理實踐經驗，通過人工方法（如水力壓裂方法）在堅硬頂板中形成裂隙網絡，破壞厚硬頂板的完整程度，可以有效降低頂板懸露長度，解決懸頂帶來的技術問題［9］。

該煤礦9226工作面上方直接賦存堅硬灰巖巖層，硬度為9～11，平均厚度為8.79 m，巖體致密完整。除此之外，工作面端頭附近還受到煤柱側巷幫支撐作用。隨著煤層的開采，厚硬灰巖基本頂難以垮落，在采空區形成較大范圍懸露空間，嚴重影響了安全生產。因此，亟須對9226工作面K2灰巖堅硬頂板端頭懸頂進行處理。

1 工程地質概況

9226工作面位于二采區，與9224工作面和9228工作面（未采）相鄰，工作面巷道布置如圖1所示。根據掘進期間的地質勘測資料，平均埋深約為400 m。煤層為近水平煤層，平均傾角為5°。9226工作面范圍內煤層厚度平均為1.29 m，采高設計為2.3 m（沿煤層頂板開采）。煤層直接頂為平均厚度8.79 m的灰巖，底板為平均厚度1.94 m的砂質泥巖。煤層頂、底板巖性特征如圖2所示，煤巖體力學參數測試結果見表1。

由表1可知，9226工作面上方直接賦存堅硬灰巖，單軸抗壓強度平均為98.81 MPa，平均厚度為8.79 m，巖體致密完整。除此之外，工作面端頭附近還受到煤柱側巷幫支撐作用。隨著煤層的開采，厚硬灰巖基本頂難以垮落，在采空區形成10～30 m長的懸露空間，端頭附近采空區存在較大范圍空頂區域，如圖3所示。

2 水力壓裂參數設計

從該工作面工程地質條件和端頭頂板懸頂情況看，回采過后端頭區頂板的完整性較好，上方巖層的回轉變形對端頭頂板垮落失穩的影響程度有限，端頭頂板未能在采動壓力作用下形成斷裂裂隙，從而不能及時垮落，導致端頭區域形成較大范圍懸頂。水壓致裂法能夠利用高壓水對鉆孔孔壁的拉裂作用在頂板巖體中形成人工裂隙，在高壓水作用一段時間后，裂隙擴展形成網絡，從而破壞頂板完整性，在采動壓力的協同作用下形成貫通性裂隙，促使端頭頂板隨工作面回采適時垮落，因此可采用水壓致裂方法預制裂隙進行強制放頂［10-11］。下面通過理論計算方法設計水力壓裂參數。

2.1 致裂高度與層位

根據9226工作面頂板賦存條件和工作面開采過程中發現的情況，端頭懸頂主要是由厚硬石灰巖頂板引起的，因此需要在厚硬灰巖頂板中實施水力壓裂，弱化灰巖頂板完整性，破壞灰巖頂板產生懸頂的強度條件。因此，要實現厚硬灰巖頂板懸頂的有效治理，應秉承以下要求：一是為降低懸頂對工作面來壓的影響，垮落巖層要對采空區頂板實現有效支撐，預裂后垮落的巖石高度（考慮其碎脹性）不應小于開采空間高度或巷道的高度；二是高壓水對鉆孔孔壁實施拉裂作用，擴展裂隙網絡，助力頂板及時垮落；三是對中高位巖體進行水力壓裂，擴展的裂隙會同步破壞低位受采動影響較大的巖層，進一步帶動低位巖層垮落［12-13］。

根據上述理論，水壓致裂的合理層位（切頂高度）最低要求［14］見式（1）。

[hq=hmδ-1] （1）

式中：hq為切頂最深位置，m；hm為回采空間高度，2.3 m；δ為巖石的碎脹系數，根據頂板巖層性質取1.3。

根據式（1）計算可得出頂板冒落碎石充分填充采出空間時的切頂最深位置為7.6 m。根據計算，考慮巖層厚度變化，9226工作面回采巷道切頂高度至少為8 m。

2.2 泵站壓力

受到高壓水的持續漲壓后，鉆孔孔壁將在最大主應力方向率先產生拉伸破壞。當水壓持續作用時，裂隙持續擴展匯成宏觀裂縫。根據柯西孔壁應力集中解，在高壓水的作用下，巖體鉆孔孔壁破壞前主要受到巖體天然應力場、鉆孔內高壓水壓力、滲流壓力和應力集中作用等方面的影響，且裂隙的起裂條件與起裂方向均與這些因素有關［15］。根據《煤礦井下強制增滲工程設計規范》（NB/T 10850—2021）［16］，合理泵站壓力可以按式（2）來確定。

B=（3Bmin-Bmax+Bt-B0）·η （2）

式中：B為破壞壓力，MPa； Bmax為鉆孔法線方向平面最大主應力，根據測試為11.8 MPa；Bmin為鉆孔法線方向平面最小主應力，根據測試為7.83 MPa；Bt為致裂巖層的抗拉強度，根據測試石灰巖的抗拉強度為10.2 MPa； B0為致裂巖層的孔隙壓力，按更高效壓裂考慮，取0；η為富裕系數，考慮滲漏、卸壓等因素，泵壓要有一定富裕，取1.2。

根據式（2）計算可得，合理的泵站壓力應超過26.27 MPa。工作面乳化液泵站額定壓力為31.5 MPa，可以滿足使用需要。

2.3 鉆孔布置

根據前期試驗結果，9226工作面灰巖頂板壓裂擴展半徑為3～4 m，為保證壓裂效果，致裂鉆孔的壓裂區間應有一定的重疊，因此壓裂鉆孔排距定為6 m。9226工作面運輸巷道寬度為4.6 m，每排布置一個鉆孔即可滿足切眼要求，同時為切斷煤柱對頂板的支撐作用，沿巷道不回采側幫部布置鉆孔。考慮施工影響，應在距離煤幫0.2～0.4 m范圍內打設致裂孔。為防止壓裂前塌孔，致裂孔應在9226工作面超前影響范圍以外打設。為充分利用乳化液泵站壓力，壓裂鉆孔在進入超前支護范圍時進行壓裂。壓裂孔布置如圖4所示，根據前文計算結果和頂板賦存情況，壓裂深度為8～12 m（根據石灰巖厚度調整），采用后退式壓裂，從孔底向外每隔2～3 m壓裂一次，為保證裂隙能夠充分擴展，單個壓裂段的壓裂時間一般為25～30 min。

3 現場試驗

為檢驗水壓致裂控制端頭的懸頂效果，在9226工作面運輸巷開展工業性試驗。運輸巷試驗段長度約70 m，打設11個鉆孔，超前工作面30 m左右打設鉆孔，隨后開始壓裂。壓裂地點距工作面設備較近，且壓力低于工作面乳化液泵站壓力，可利用工作面乳化液泵站（額定壓力31.5 MPa）提供壓力。為保證施工時頂板安全，壓裂施工時壓裂鉆孔應位于超前支護范圍內。利用錨索鉆機進行鉆孔作業，先使用直徑為28 mm的鉆頭施工鉆孔，然后使用直徑為50 mm的鉆頭套孔。鉆孔完成后，壓裂施工人員開始進行壓裂準備工作，鉆孔人員轉移至下一個鉆孔位置繼續打設鉆孔。壓裂準備工作主要包括封孔器推進到預定位置、加壓封孔和連接高壓管路。完成準備工作后，打開泵站開關按要求進行壓裂作業。施工流程如圖5所示，現場施工情況如圖6所示。

水力壓裂的主要目的是切斷工作面后方端頭懸頂，因此工作面后方端頭頂板懸露長度是評價預裂效果最直觀的參數。預裂實施后，對工作面后方端頭頂板懸露長度進行記錄統計，見表2。

由表2可以看出，除A1、A2、A3和A4孔采后懸頂長度超過5 m外，其余壓裂鉆孔后方頂板懸頂長度均小于5 m，說明實施水壓致裂后，頂板整體性遭到破壞，堅硬灰巖頂板隨著工作面推進在采空區及時垮落，工作面端頭無大面積懸頂。在施工過程中，A2和A3孔由于鉆孔塌孔和封隔器卡住未實施壓裂，堅硬完整的頂板未能及時垮落，對A1和A4孔范圍內的頂板垮落也有一定的不利影響。因此，在后續推廣實施過程中，當遇到不成功壓裂鉆孔時，需要及時在附近間隔一段距離補打鉆孔，重新進行壓裂。

9226工作面實施的水壓預裂強制放頂技術，能夠保障工作面回采安全，降低工人勞動風險。該技術操作方便，技術培訓速度快，工人工作效率高，為超前水壓預裂技術在厚層堅硬頂板條件煤層開采中的推廣應用奠定了基礎。

4 結論

本研究通過采用水壓致裂超前放頂技術，實現了9226工作面采空區懸頂有效治理，重點解決了水力壓裂參數的設計問題，得出以下結論。

①根據9226工作面工程地質條件，通過理論計算確定了堅硬K2灰巖頂板水力壓裂參數，包括切頂層位、鉆孔長度、鉆孔直徑、鉆孔布置等，指導了生產實踐。

②現場實施結果表明，采用水壓致裂強制放頂措施后，9226工作面兩端頭懸頂從原來的10～30 m降低至5 m以內，工作面端頭無大范圍懸頂，保證了工作面順利推進，有效提高了工作面回采安全性。

③在后續推廣實施過程中，當遇到不成功壓裂鉆孔時，需要及時在附近間隔一段距離補打鉆孔，重新進行壓裂，以最大限度保障壓裂效果。

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