“横切-纵爆”复合卸压机制研究与应用

2022-07-20司瑞江赵璐璐张广辉左杰海许利军张奥泽李东亮

煤矿安全 2022年7期

司瑞江，赵璐璐，张广辉，左杰海，许利军，张奥泽，焦阳，李东亮

（1.晋能控股煤业集团晋城煤炭事业部赵庄煤业有限责任公司，山西长治 046605；2.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院,北京 100013;3.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司技术研究院，山西晋城 048006）

坚硬顶板具有强度高、易储能、难垮落的属性，是诱发强矿压的主要因素之一。针对坚硬顶板诱发的强矿压灾害，国内外学者围绕了顶板水力压裂和深孔爆破开展了大量研究应用工作。文献［1－3］围绕压裂缝隙扩展机理，不同区域顶板水力压裂现场应用开展了大量研究；文献［4］提出了深孔双向聚能拉伸爆破新技术，为后续聚能爆破引进治理强矿压奠定了理论基础；文献［5－7］围绕顶板深孔聚能爆破开展了切顶卸压围岩控制研究与应用，开拓了顶板聚能爆破在切顶留巷、切顶卸压中的应用；文献［8］利用水力压裂－深孔预裂爆破复合工艺，提高瓦斯的抽采效率。以上研究加深了对顶板水力压裂和聚能爆破的认知，提供了治理现场难题的方案，但在运用顶板水力压裂和深孔爆破复合卸压，治理坚硬交互顶板的方向鲜有报道。为此，针对赵庄煤业1311工作面顶板强度高、整体性好，各类岩性交错发育的现状，提出在钻孔轴向上进行水力压裂预制横向裂隙，在钻孔纵向上开展聚能爆破预制钻孔轴向方向裂隙，实现“横切-纵爆”复合卸压工艺。

1 “横切-纵爆”复合卸压机制

1.1 压裂阶段岩体裂纹扩展分析

煤岩深埋于地下，处于三维应力受压状态，在不考虑附近构造应力时，其主要受远场应力作用，即主要受到垂直应力和水平地应力作用，而在煤岩形成过程中存在大量随机分布的微裂隙。采用Taylor 方法忽略微裂纹之间的相互作用, 假设裂隙处于弹性体中，微裂隙受到的载荷等于远场应力[9]。力学模型如图1，图中微裂隙与最大主应力的夹角为β。

图1 煤岩微裂隙受力图Fig.1 Stress diagram of coal rock micro-fracture

在考虑水压力的作用下，结合Terzaghi 有效应力原理，则作用在裂纹方向上的力为：

式中：σy为正应力；τxy为剪应力；σv为垂向地应力；σh为水平地应力；p 为微裂隙水压力。

式中：R 为局部损伤化长度；σ0为损伤局部化内的跌落应力；a 为微裂纹初始长度。

1.2 爆破阶段裂纹发育准则

依据损伤力学理论[9]，爆破瞬间在爆轰气体的作用下形成的宏观裂纹平均半径a0为：

通过以上分析可得，“横切-纵爆”工艺中水力压裂实现岩体的局部损伤，局部损伤化长度为R；在爆破阶段暴轰气体形成宏观裂纹半径为a0；基于R和a0的赋存，在爆破气体持续作用阶段，裂纹二次扩展半径r 值进一步扩张。

综上所述“横切-纵爆”卸压工艺，定向水力压裂和爆破可实现钻孔内裂隙范围扩大，破坏顶板完整性和整体性，弱化坚硬顶板应力传递和能量储存的属性，实现复合坚硬顶板在回采后顺利及时垮落，避免大面积悬顶瞬间垮落造成的强矿压事故。

2 “横切-纵爆”卸压工艺现场应用

2.1 1311 工作面概况

赵庄煤业1311 工作面主采3#煤层，盖山厚度约为700 m，煤层平均厚度为4.8 m，工作面回采长度1 446 m，倾向长度为249 m；通过顶板取心绘制顶板综合柱状图如图2，经测定砂岩和砂质泥岩单轴抗压强度为73、42 MPa。顶板强度高，承载能力强，在工作面回采后，易形成悬顶对煤层形成夹持和挤压作用，在巷道或采面形成应力集中区，在超过极限静载或动载扰动叠加静载条件下，容易造成巷道围岩弹性变形能的瞬间释放，造成强矿压事故。

图2 1311 工作面综合柱状图Fig.2 Comprehensive histogram of 1311 working face

2.2 水力压裂和深孔爆破基础试验

赵庄煤业最大水平主应力方向为N36.67°W，考虑方便施工，因此顶板预裂孔方位角与巷道成30°夹角，即压裂钻孔与煤岩最大主应力方向接近一致，提升裂隙扩展效率，而在爆破阶段二次裂纹扩展方向在聚能管定向约束和压裂缝隙R 的基础上沿最大主应力方向进一步扩展扩展。

2.2.1 顶板定向水力压裂工艺

定向水力压裂工艺中首先利用定向刀具在顶板内沿钻孔径向制备“楔形”应力集中尖端，为高压液契开坚硬顶板提供条件。高压水在预割横缝尖端处形成应力集中，促使顶板裂隙逐步产生、扩展[12]。预割横缝如图3。

图3 顶板预割横缝示意图Fig.3 Diagram of pre-cut cross seam in roof

通过在13091 巷进行水力压裂孔孔间距的试验发现孔间距为5 m 时，注水时间在16～20 min 时试验孔有水流出，注水压力由30 MPa 降到20 MPa 左右，即单个压裂钻孔裂隙扩展半径至少为5 m，因此2 个压裂钻孔间距在10 m 内，便可实现压裂缝隙交汇贯通。压裂钻孔孔间距试验示意图如图4。

图4 压裂钻孔孔间距试验示意图Fig.4 Diagram of fracturing borehole spacing test

综上所述，30 MPa 注水压力能够实现顶板裂隙缝隙预制，但难以预制沿钻孔轴向的高密度缝隙，因此需要在此基础上增加聚能爆破工艺。

2.2.2 顶板聚能爆破工艺

炸药爆炸后，冲击波首先直接作用于双向张拉伸聚能装置开口对应的孔壁上，使其产生初始裂隙。随后，在爆生气体的作用下，炮孔及孔壁周围形成静应力场。静应力场的作用下，炮孔径向受压应力作用。在聚能孔的引导作用下，爆生气体涌入冲击波作用产生的初始微裂隙，产生气楔作用，由此在垂直初始裂隙方向产生张拉作用力，并出现应力集中[4,13]，双向聚能拉张预裂爆破特征图如图5。

图5 双向聚能拉张预裂爆破特征图Fig.5 Characteristic diagram of bi-directional shaped charge tension pre-splitting blasting

为探究合理爆破间距，在13092 巷沿同方位角、倾角布置4 个爆破试验孔，孔间距分别为2、3、4 m；同时在爆破孔中间布置3 个效果检测孔，爆破钻孔内均装15 kg 炸药和10 根聚能爆破管。

爆破后利用钻孔窥视仪检验3 个检验孔中裂隙密度，发现孔间距2 m 时孔内裂隙密集且连贯，孔间距为3 m 时钻孔内裂隙密集，孔间距4 m 时钻孔内裂隙较少。综上所述，爆破在钻孔装药段轴向裂隙发育较好，但在钻孔径向上裂隙扩展范围较小。

2.3 “横切-纵爆”复合卸压技术参数设定

根据顶板岩性及厚度分布，拟定在煤层上方26.8 m 处交互层和18.2 m 处砂质泥岩中进行水力压裂，同时利用聚能爆破管在煤层上方12.6～26.8 m 范围内开展顶板聚能爆破工作，压裂层高与爆破层高相互重叠，最大程度上实现“横切-纵爆”卸压。

基于1309 工作面开展的工业性试验，将压裂孔间距设定为9 m；在压裂孔压裂后为提升横切-纵爆效果，再进行钻孔爆破，爆破孔间距设定为3 m，基于现场卸压效果灵活调整是否在压裂孔位置重新布设爆破孔；13111 巷和13113 巷均进行横切-纵爆顶板弱化处理，13111 巷2 类钻孔布置平面图如图6。顶板定向水力压裂和聚能爆破施工参数表见表1。

图6 水力压裂孔和爆破孔布置平面图Fig.6 Layout plan of roof directional hydraulic fracturing hole and shaped charge blasting hole

表1 顶板定向水力压裂和聚能爆破施工参数表Table 1 Construction parameters of roof directional hydraulic fracturing and shaped charge blasting

为实现在煤柱上方顶板内预制“断裂线”，促使采空区边界顶板由固支端连接向简支连接转变，实现顶板有序下沉、旋转、处矸，并最大程度较小侧向悬顶距，因此将钻孔布置方向选定为煤柱侧。

横切-纵爆复合卸压充分利用了压裂产生的预制裂隙，再借助爆破冲击进一步扩充裂隙发育范围。同时克服水力压裂裂隙发育半径大，但裂隙点少，爆破孔内裂隙点密集，但裂隙半径小的缺点，实现了在钻孔“轴向-径向”上预裂卸压。

3 顶板治理效果分析

3.1 顶板预制裂隙窥视

赵庄煤业留设45 m 区段煤柱，宽煤柱内存在大尺寸弹性核对顶板进行支撑，上工作面采空区顶板裂隙未能发育至沿空巷道；在13111 巷和13113 巷开展横切-纵爆卸压工艺后，分别进行顶板裂隙窥视，预裂效果基本一致。13113 巷窥视孔内主要裂隙发育情况如图7；绘制的缝隙位置压裂位置和爆破段位置层位分布图如图8。