坚硬顶板下工作面初采水压致裂弱化顶板技术应用

2022-01-15张明亮

山东煤炭科技 2021年12期

张明亮

（晋能控股煤业集团煤峪口矿，山西大同 037003）

我国煤矿以地下井工开采为主，顶板事故是影响其安全高效开采主要因素之一[1-2]。我国煤层地质赋存条件复杂，其中赋存坚硬顶板的煤层占据30%以上，分布的矿区超过50%，在大同、晋城、通化等地，工作面事故中，冒顶事故占70%～80%。坚硬顶板一次垮落面积大，来压剧烈，尤其是工作面初采时期，易诱发动力灾害[3-4]。坚硬顶板常采用卸压或顶板弱化的方式，主要方法有深孔爆破和水压致。深孔爆破炸药消耗量大，易产生大量有毒有害气体，不符合绿色矿山的建设要求，水压致裂是弱化坚硬顶板的有效控制技术[5-6]。

1 工程概况

煤峪口矿8701 工作面开采11#煤层，工作面北与盘区巷道相连，东为实煤体，南和西为11#煤层采空区。工作面埋深346.6～349.0 m，开采煤层平均倾角4°，属于近水平煤层，煤层平均厚4.73 m，结构简单，厚度赋存稳定。煤层伪顶岩层为粉砂岩，平均厚1.40 m；直接顶为粗砂岩，平均厚3.20 m，深灰色，含炭质，胶结松软，普氏系数在15～16 之间，属于坚硬顶板；基本顶岩层为互层结构，主要岩性为粉砂岩与细砂岩，岩层平均厚21.2 m，岩层组织致密，普氏系数在18 左右。

2 水压致裂弱化顶板技术

2.1 基本原理

地下岩层包含多种矿物质，结构复杂，其中存在大量的黏土矿物，遇水易出现膨胀现象，在高水压渗透作用下，岩层结构及理化性质出现变化，出现黏结力降低、岩体强度下降的现象。同时，岩体具有节理、裂隙的各向非均质性，在高压水作用下，内部颗粒之间的摩擦阻力以及岩体破裂面的正压力不同程度的降低，节理、裂隙出现延伸扩展，进一步破坏其整体结构，降低岩体的强度。水压致裂弱化顶板技术就是利用高压水弱化岩体强度的特点，对赋存坚硬的顶板岩层中注入高压水，在水压及渗透作用下，破坏岩层的整体结构和理化性质，致使岩体内部的节理与裂隙发育扩展，降低岩层强度，从而实现对坚硬顶板的弱化[6]。

2.2 水压致裂弱化顶板技术

通过在8701 工作面切眼布置一排定向压裂钻孔，利用高压水对顶板进行致裂弱化，具体技术参数如下：

（1）钻孔布置

沿切眼布置一排定向压裂钻孔，钻孔与竖直方向的夹角为30°，定向压裂钻孔孔间距设计为15 m，钻孔长度设计为15 m，垂直深度15 m，定向压裂钻孔距工作面帮0.5 m 施工，钻孔布置断面图如图1。工作面长度176 m，共布置12 个定向压裂钻孔。

图1 定向压裂钻孔布置断面图（m）

（2）压裂参数与工艺

水压致裂水压设计30～60 MPa，注水压裂时间设计10～30 min。根据现场反馈效果具体优化压裂参数，具体压裂工艺如下：

① 安装调试，连接注水钢管将封孔器推送至预定位置；

② 检查封孔器保压情况，确保封孔器正常工作；

③ 在距定向压裂钻孔20 m 处进行警示工作，压裂时期20 m 范围内禁止人员进入，操作人员、设备与定向压裂钻孔的距离均在20 m 以上；

④ 开启高压水泵，先通水、后通电，缓慢加压，直至预裂缝开裂，压力突然下降后，进行保压，促使裂纹继续扩展；

⑤ 水压致裂结束，关闭高压水泵，先断电、后停水，封孔器卸压。

（3）压裂施工情况

8701 工作面切眼共布置12 个定向压裂钻孔，钻孔注水时间在10～25 min 之间，最高水压在28～54 MPa 之间，稳定水压在16～42 MPa 之间。定向压裂钻孔水压致裂施工情况见表1。

表1 定向压裂钻孔施工效果

对8701 工作面切眼1#、5#、10#钻孔的水压致裂情况进行了观测，水压致裂裂缝扩展影响半径11～15 m，裂缝扩展影响范围内裂隙扩展程度较高，表明了水压致裂施工效果较好。

3 顶板弱化效果分析

8701 工作面初采时期采用水压致裂弱化顶板技术，有效弱化了坚硬顶板强度，切断顶板应力传递路径。进行的矿山压力监测结果显示， 8701 工作面初次来压步距在23.09～27.39 m 之间，平均步距24.91 m，初次来压强度在31.05～42.25 MPa 之间，平均强度37.38 MPa，动载系数1.72。矿压监测结果见表2。

表2 工作面初次来压监测结果

根据8701 工作面邻近类似条件工作面矿压监测结果，图2 为技术应用前后初次来压对比图，其初次来压平均步距和平均强度为36.38 m、49.12 MPa。采用初采水压致裂弱化顶板技术后，其初次来压步距和强度均有降低，分别减小了31.53%、23.90%，表明水压致裂弱化顶板技术有效实现了坚硬顶板弱化，缩短了来压步距，降低了来压强度，避免了8701 工作面回采初期出现大面积悬顶，为工作面正常回采提供了安全保障。