三元中能煤业1308工作面回风巷水压致裂方案研究

付春阳

(山西三元煤业股份有限公司 下霍煤矿，山西 长治 047100)

三元中能煤业位于山西省长子县，开采沁水煤田的3号煤层。该矿1308工作面初采期间，工作面两侧均为实体煤，且煤层埋藏较浅，顶板完整性较好，初次来压步距接近60 m.由于回采巷道两侧为实体煤，巷道顶板未受二次采动影响，同时由于巷道支护强度大，使顶板完整性进一步提高，因此，在巷道进入采空区后，端头顶板难以及时垮落，造成较大范围空顶。

水力压裂作为经济有效的坚硬难垮落顶板控制技术，已在国内外推广应用，实践证明是成功有效的。水力压裂可有效弱化坚硬顶板、破坏其完整性，削弱顶板的强度和整体性，使采空区顶板能够分层分次垮落，缩短初次来压和周期来压步距，达到减小或消除坚硬顶板对工作面回采危害的目的[1]。

基于以上背景，拟对1308工作面回风巷实施水力压裂顶板弱化试验研究，以期得到工作面端头顶板管理方法，提升矿井工作面顶板管理水平。

1 工作面概况

1.1 工作面基本参数

1308回采工作面布置在一采区3号煤层中，东临井田边界保护煤柱，西距1303工作面采空区124.1 m，北面为北张村煤柱边界。煤层埋藏深度平均305 m，平均厚度为5.49 m。工作面位置如图1所示。

图1 1308工作面位置示意

1308工作面回风巷长度为734.2 m，工作面长250 m，可采长度618.8 m，可采面积154 700 m2.

1.2 煤层赋存条件

1308工作面隶属3号煤层，距煤层底板0.6 m处有1层较为稳定的夹矸，其厚度为0.15～0.4 m，平均0.28 m，岩性为泥岩或炭质泥岩。煤层顶板为砂质泥岩、泥岩或粉砂岩，局部为不同粒级的砂岩；底板为砂质泥岩、粉砂岩、泥岩，局部为细粒砂岩。煤层厚度稳定，煤层结构简单。

1.3 巷道布置方式及支护参数

本工作面风、运两巷均沿顶板掘进，沿倾向布置，运巷长698.8 m，风巷长734.2 m；切眼长252.2 m，沿走向布置，工作面标高为682～747 m.运巷为锚网——锚索联合支护，断面呈矩形，宽×高=5.2 m×3.6 m(净尺)，顶板锚杆间排距为900 mm×1 000 mm，锚索间排距为1 500 mm×1 000 mm，风巷为锚网——锚索联合支护，断面呈矩形，宽×高=5.0 m×3.3 m(净尺)，顶板锚杆间排距为1 000 mm×1 000 mm，锚索间排距为1 500 mm×1 000 mm.

2 1308回风巷水压致裂方案研究

2.1 水压致裂工艺参数确定

考虑到水压致裂技术没有在三元中能煤矿的应用经验，出于安全性考虑，第一次试验方案制定较为保守，具体方案如下：

1) 水力压裂钻孔布置。高压注水泵位于1308工作面回风巷内，高压胶管共200 m，可实现整个巷道钻孔的水压致裂。水压致裂孔布置如图2所示。钻孔每组1个孔，钻孔贴近外帮打设，开孔位置距上隅角侧煤壁1 000 mm位置，钻孔仰角均为45°，沿工作面推进反方向打设，钻孔深度40 m.孔距10 m，孔径65 mm.

2) 水压致裂参数确定。由于水压致裂工作在巷道超前完成，为了保证巷道顶板安全，初期压裂参数较为保守，每个钻孔压裂6～7次，每段压裂3 m，压力达到12～20 MPa，孔底1 m不压裂，压裂距离18～40 m，致裂高度为13～28 m.

3) 钻孔施工量。根据1308工作面回采情况，回风巷水压致裂钻孔共施工钻孔50组，命名为A1～A50，总施工量2 000 m.施工时间为2019年6月28日—8月12日。

2.2 参数优化方案

由于前几组水压致裂施工后，端头进入致裂段后，端头悬顶范围依然较大，在分析原因及超前巷道变形量观测结果的基础上，对水压致裂方案进行优化，分别进行了3次调整：

1) 第一次参数调整：由于A孔施工初期，考虑到尽可能保证超前巷道顶板安全，A5～A20钻孔压裂次数控制在6～7次，钻孔致裂范围为距孔底18～40 m，致裂高度为巷道顶板上方13～28 m位置，由于致裂高度过高，造成回风巷端头大范围悬顶。7月8日，对施工参数进行调整，保证每个A钻孔致裂次数10次，致裂深度距孔底12～40 m，致裂高度巷道顶板上方8.5～28 m，并对A11孔～A20孔进行补压，端头垮落效果得到改善。

2) 第二次参数调整：7月17日A4孔刚进入采空区，受压裂次数较少及退锚方式影响，端头出现较大悬顶，为保证A4～A10孔影响范围内端头顶板的垮落效果，再次对施工参数进行调整，7月18日在工作面超前支护段外补打B孔，孔深40 m，角度30°，间距10 m，致裂次数9次，钻孔致裂范围为距孔底，15～40 m，致裂高度7.5～20 m，7月23日B孔致裂影响区进入采空区，端头顶板随采随垮，效果明显。

3) 第三次参数调整：8月中旬，端头顶板悬顶面积增大，主要位于靠近外帮0.5～1 m范围顶板未能及时垮落，长度接近20 m，对原致裂方案进行调整，在超前支护段外补打2个B孔和20个C孔，C孔位于外帮与顶板肩窝处，深度2 m，角度60°，间距2 m.当端头垮落效果不好时，对位于工作面超前的C孔进行补压，以提高对端头三角区顶板的治理效果。

B孔及C孔参数如图3所示。

3 定向水压致裂效果分析

为了分析水压致裂对端头顶板的预裂效果以及超前水压致裂对巷道顶板的破坏情况，分别对端头悬顶范围统计、顶板裂隙发育钻孔窥视观测结果进行分析[2]。

3.1 端头悬顶范围分析

1308回风巷顶板跨落通过水力压裂切顶技术施工后，采空区顶板跨落已经形成较为稳定的周期跨落，初次跨落间距约为8～12 m，周期垮落间距为4～8 m，较工作面不采取措施的情况下大幅缩短，如表1所示。

表1 施工期间回风巷采空区跨落情况

3.2 钻孔窥视顶板裂隙发育特征研究

对水压致裂前后顶板钻孔的裂隙发育规律进行了钻孔窥视试验，由窥视结果可以看出，致裂后，原钻孔裂隙发生明显的扩展，并有大量新生裂隙产生，能够有效破坏顶板完整性，有利于顶板的及时垮落。

4 结 语

此次在1308回风巷的定向水压致裂取得了较为明显的效果，但由于受初期所布置的主孔A孔致裂高度过高、末采期间定期爆破强制放顶以及巷道高强度支护的影响，水压致裂后端头悬顶并未达到预期随采随冒的技术要求，需开展进一步研究工作及现场试验工作，得出端头顶板的垮落规律及最优致裂参数，实现三元中能煤业工作面端头悬顶问题的根本治理。

1) 由于水压致裂技术尚未在三元中能煤业使用，没有可供参考的实施经验，因此需针对1308工作面现场条件，首次水压致裂方案较为保守，每10 m布置1个40 m深钻孔，致裂高度为13～28 m，施工至7月中旬时，端头顶板垮落效果不好，对水压致裂方案进行了优化，在两个A孔之间补打B孔，并对A孔进行补压，改善了端头顶板的垮落效果。

2) 8月中旬回风巷端头悬顶面积扩大，对方案进行了二次优化，在原有A孔的基础上补打了10个A补孔和18个C孔，获得最优的致裂方案。

3) 根据水压致裂后现场观测情况可知，端头顶板垮落具有一定的周期性，垮落步距约为4～8 m，与1308运输巷相比，端头悬顶面积明显降低，有助于矿井安全风险的降低和顶板管理水平的提升。