水壓致裂與密集卸壓孔聯(lián)合弱化堅(jiān)硬頂板技術(shù)
韓立權(quán) 楊耀霞 李志云 翁旭澤 徐 亮
一、立項(xiàng)原因及背景
我礦12#層406盤區(qū)8637工作面,頂板較厚巖石層強(qiáng)度大、較為堅(jiān)硬，整體性好，短期內(nèi)難以自然垮落，為防止該工作面在回采過程中頂板不垮落，懸頂超過作業(yè)規(guī)程規(guī)定，破壞煤柱，給安全生產(chǎn)造成隱患,工作面開采期間需對(duì)超前頂板進(jìn)行預(yù)裂，保證工作面堅(jiān)硬頂板的垮落質(zhì)量,結(jié)合傳統(tǒng)的爆破預(yù)裂頂板經(jīng)驗(yàn)得知，裂縫不夠完整貫通，裂縫結(jié)合面也不夠平整，頂板后期垮落阻力大，因此我礦選擇綜合運(yùn)用水壓致裂與密集卸壓孔技術(shù)進(jìn)行超前預(yù)裂頂板。
在8637工作面切巷施工水壓致裂鉆孔，2637巷和5637巷同時(shí)施工水壓致裂鉆孔與密集卸壓孔并對(duì)鉆孔進(jìn)行水壓致裂。
二、成果內(nèi)容
1、工作面及頂板概況：
12＃層406盤區(qū)工作面8637工作面，走向長702.8m，切巷長度90.9m。可采儲(chǔ)量為635012.1t，煤層以亮煤為主，次為暗煤，內(nèi)生節(jié)理發(fā)育，厚度為6.70-7.5 m，平均厚度7.1m。直接頂為灰白色中粗砂巖互層，成份以石英為主，次為長石，有少量暗色礦物，鈣質(zhì)孔隙式膠結(jié)，分選中等，磨圓度為次圓狀，有煤屑，斜層理。中砂巖,灰白色，以石英為主，長石次之，膠結(jié)致密，含少量黃鐵礦結(jié)核，厚度為28.63-34.65m，平均厚度約為30.92m；煤平均厚度約為7.1m。
8637工作面位置如下圖所示。
2、工作面頂板預(yù)裂方案
兩巷端頭頂板處理采用以水壓整體預(yù)裂為主，密集孔局部卸壓為輔的方案。水壓致裂技術(shù)原理是指在巖層壁上通過鉆一定數(shù)量的孔，注入高壓水，巖層內(nèi)部受到來自高壓水內(nèi)壓力而逐漸發(fā)生開裂的過程,主要是利用高壓水力破壞頂板的整體性，使工作面頂板分層垮落；頂板橫向分層垮落的同時(shí)，由于重力作用，密集卸壓孔在局部范圍使頂板發(fā)生縱向斷裂，且裂縫能夠很好地沿著密集卸壓孔排列方向延伸，裂縫完整貫通，裂縫結(jié)合面平整，切斷工作面頂板應(yīng)力傳遞，能避免出現(xiàn)懸空頂板面積越來越大會(huì)在其自重及上覆巖層載荷的作用下，突然折斷、垮落而出現(xiàn)頂板大面積冒落。根據(jù)上述思路，采取了以下方案。
(1)、工作面切巷水壓致裂鉆孔施工方案及參數(shù)
在12#層8637工作面切巷回采煤體側(cè)距2637巷8米，距頂板0.5米處開孔。共計(jì)施工6個(gè)鉆孔，鉆孔的方位為5°，仰角為60°，單孔深度為18米，孔間距為15米。（布置示意圖及斷面圖如下圖所示）
(2)、2637巷和5637巷水壓致裂鉆孔、密集卸壓孔施工方案及參數(shù)
2637、5637巷分別施工兩種水壓致裂孔：
a、開孔位置距工作面切巷5米，煤柱幫1米頂板處向采空區(qū)方向開孔，鉆孔平行于巷道，鉆孔的仰角為31°，單孔深度為12米，鉆孔間距均為5米。
b、開孔位置距工作面切巷5米，巷中頂板處向采空區(qū)方向開孔，鉆孔平行于巷道，鉆孔的仰角為48°，單孔深度為13米，孔底開槽,鉆孔間距均為5米。
兩巷鉆孔施工超前工作面100米進(jìn)行，到停采線處停止施工。
2637、5637巷分別施工兩種密集卸壓孔：
a、從工作面開始，距煤柱幫0.75米處，垂直頂板施工一排密集卸壓孔，孔深6m，間距0.2m。
b、開孔位置距工作面切巷5米開始，間隔5m垂直巷道方向施工一排密集卸壓孔，孔深8m，間距0.2m。
兩巷鉆孔施工超前工作面30米進(jìn)行，到停采線處停止施工。
（布置示意圖及斷面圖如下圖所示）
水壓致裂孔與密集卸壓孔順槽剖面圖
（3）、8637工作面頂板水壓致裂施工方案
采用水壓壓裂切頂卸壓控頂技術(shù)，通過對(duì)堅(jiān)硬頂板水壓壓裂和注水軟化，削弱上覆巖層儲(chǔ)存的高應(yīng)力，破壞直接頂完整性，使其充分提前垮落，達(dá)到弱化礦壓顯現(xiàn)的目的，保證回采安全。
a、8637切巷頂板水壓致裂方案
在工作面未開采前預(yù)先對(duì)切巷的6個(gè)孔分別采取單孔水壓致裂弱化頂板，減小初采期間頂煤垮落距離，使初采時(shí)頂板及時(shí)跨落，致裂過程中密切注意頂板變化，若有異常，立即停止作業(yè)，采取人員撤離，支設(shè)加強(qiáng)支柱或其它頂板防護(hù)措施。
b、2637巷與5637巷頂板水壓致裂方案
在工作面未開采前，施工密集卸壓孔之后,對(duì)兩巷30米范圍內(nèi)的鉆孔進(jìn)行水壓致裂，每次致裂時(shí)先致裂巷中頂板鉆孔，再致裂巷幫頂板鉆孔，之后工作面每推進(jìn)30米，兩巷分別各致裂12個(gè)鉆孔，隨采隨致裂。
由于煤巖層是不斷變化的，因此水壓致裂孔的參數(shù)應(yīng)按照采空區(qū)的塌落實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整。
3、鉆孔水壓致裂注水設(shè)備、材料及注水工藝
（1）、高壓注水采用BZW220/63高壓柱塞泵和3BZ6.7/63-200高壓柱塞泵，兩臺(tái)泵額定工作壓力63Mpa,分別布置在2637巷和5637巷。注水管路采用DN19高壓注水管200米，最大承受壓力70Mpa；φ39封孔器，長度為2m；φ39安裝桿，長度1m。安裝桿與封孔器可以重復(fù)利用。
（2）、在施工好的鉆孔內(nèi)放入膠囊式封孔器以及注水鋼管。把膠囊式封孔器按照設(shè)計(jì)方案安裝在孔底。
（3）、從巷道內(nèi)已有的給水管路三通接出水源到注水泵站的水箱，把水箱灌滿，把注水泵的進(jìn)水管與水箱的出水管連接，把注水泵的高壓出水管管口與注水高壓膠管連接，把所有的高壓注水膠管連接在一起到達(dá)注水孔處與事先插入孔內(nèi)的注水鋼管連接并連接牢固。
（4）、預(yù)裂試驗(yàn)： 泵前連接三通，三通一邊接進(jìn)工作面的液管，另一邊接20m高壓液管，液管之間用兩通專用接頭連接，并將液管固定在電纜槽，每2米用鉛絲固定一次，保證工作面所有管路固定牢后方可施工。在三通處泵前接一個(gè)卸壓球閥，泵上接一個(gè)帶讀數(shù)壓力表，當(dāng)壓力調(diào)控到20-30MPA時(shí)，觀察工作面液管和管接頭是否有泄漏，如果有馬上緩慢開啟球閥卸載壓力至零位，再對(duì)管路進(jìn)行檢查修復(fù)。
（5）、檢查完管路與本站滿足工作條件，同時(shí)在注水孔附近、管路、本站處的安全警戒設(shè)置好后，啟動(dòng)注水泵，通過高壓注水膠管給鉆孔內(nèi)送入高壓水，保持15分鐘，當(dāng)預(yù)裂孔內(nèi)壓力從峰值泄壓到15MPA時(shí)，可以操作球閥緩慢泄壓至零位，完成一個(gè)注水循環(huán)。
（6）、關(guān)閉注水泵，待孔內(nèi)和管路的水壓泄壓后，確保安全的前提下，退出封孔器及注水鋼管。
（7）、再行下一個(gè)鉆孔注水致裂。
4、防止反沖計(jì)算
防反沖力應(yīng)大于壓裂過程中產(chǎn)生的最大反沖力。最大反沖力按下式計(jì)算
Fmax=0.25πD2p×10-3+F
式中: Fmax—最大反沖力，kN
D—鉆孔直徑，mm 50mm
P—壓裂泵額定注水壓力，MPa 63MPa
F—孔內(nèi)封孔器重力沿鉆孔軸方向的分力，kN：仰孔時(shí)正值，俯孔時(shí)F為負(fù)值
鉆孔內(nèi)膠囊式封孔器以及注水鋼管經(jīng)計(jì)算F取0.3kN
Fmax=0.25×3.14×502×63×10-3+0.3
=124KN
防止反沖措施：孔口安裝桿用型號(hào)為15D-6*37+1鋼絲繩固定，該鋼絲繩的抗拉力為132KN，大于壓裂過程中產(chǎn)生的最大反沖力。
5、巷道內(nèi)密集卸壓孔及水壓致裂孔照片
（1）、平行巷道密集卸壓孔照片
（2）、垂直巷道密集卸壓孔照片
（3）、水壓致裂孔照片
6、現(xiàn)場效果分析
在8637工作面頂板實(shí)施水壓致裂措施后，通過現(xiàn)場觀測，在鉆孔打水壓的工作面頂板區(qū)域有明顯的內(nèi)部巖層斷裂破碎的斷續(xù)聲響發(fā)出，并且在密集卸壓孔內(nèi)有明顯的出水現(xiàn)象。在兩巷的端頭支架處看向采空區(qū)時(shí)，可以看到頂板巖層沿著密集卸壓孔方向有明顯的斷裂痕跡。因此，可以斷定在對(duì)頂板進(jìn)行鉆孔高壓注水后，可以有效破壞工作面頂板的完整性。當(dāng)水力致裂結(jié)束以后，通過窺視儀對(duì)頂板鉆孔內(nèi)部巖石進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)巖石產(chǎn)生了大量縱橫交錯(cuò)的裂紋，充分說明水壓致裂技術(shù)的實(shí)施大大降低了頂板巖層內(nèi)部的強(qiáng)度，破壞了頂板巖層的完整性和穩(wěn)定性，隨著回采的繼續(xù)，裂隙會(huì)擴(kuò)大直至巖層整體發(fā)生破壞，保障頂板的及時(shí)垮落。
三、創(chuàng)新點(diǎn)
工作面采用以弱化頂板、切頂卸壓為主體的方式，密集卸壓孔通過水壓致裂頂板進(jìn)行切縫，在局部范圍切斷工作面頂板應(yīng)力傳遞，減弱巷道頂板壓力，且密集卸壓孔切縫能夠很好地使巷道頂板與煤柱頂板分離，避免采空區(qū)形成懸板三角區(qū)。利用煤柱發(fā)揮自身承載作用進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，控制煤柱頂板下沉，保證懸頂垮落效果。
四、社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益
社會(huì)效益：
為聯(lián)合弱化堅(jiān)硬頂板技術(shù)的推廣，提供了可靠依據(jù)，積累了經(jīng)驗(yàn)。相比爆破放頂方法，聯(lián)合弱化頂板技術(shù)在安全性與經(jīng)濟(jì)效益方面均具有突出的優(yōu)勢(shì)。8637工作面弱化頂板成功實(shí)施后，保證了回采安全，改善了工作面兩巷道圍巖惡劣的應(yīng)力環(huán)境，減小了巷道圍巖的變形，減小了冒頂、片幫等礦壓事故的發(fā)生，為礦井安全高效生產(chǎn)提供了保障。
經(jīng)濟(jì)效益：
聯(lián)合弱化堅(jiān)硬頂板技術(shù)的應(yīng)用前首先大大減少了爆破材料投入費(fèi)用，節(jié)省大量人力物力，按來壓步距10米，每組10個(gè)放頂孔計(jì)算，共需要炸藥16.4噸，雷管1360發(fā)，導(dǎo)爆索230盤，共節(jié)約爆破材料費(fèi)用16.2萬元。此外聯(lián)合弱化堅(jiān)硬頂板切頂質(zhì)量有保障，有效避免堅(jiān)硬巖性下頂板水壓致裂不完整不充分導(dǎo)致需要頂板二次致裂卸壓。此外切頂質(zhì)量有保障，有效的避免了巷道的二次維修，按人工費(fèi)每天每人300元計(jì)算，共計(jì)14人，工期85天，節(jié)約人工費(fèi)35.7萬元，巷道維修費(fèi)用，按每米1000元計(jì)算，共計(jì)700m，節(jié)省費(fèi)用70萬元，總共創(chuàng)造效益121.9萬元。
五、技術(shù)總體應(yīng)用水平和推廣前景
根據(jù)8637工作面水力壓裂與密集卸壓孔弱化頂板技術(shù)的實(shí)施情況和頂板垮落情況，可以看出弱化技術(shù)的實(shí)施可以有效地釋放工作面堅(jiān)硬頂板的巨大內(nèi)應(yīng)力，破壞頂板的完整性，最終可以控制頂板分層分次的及時(shí)垮落，避免出現(xiàn)大面積冒落的危害性事故，保證煤礦的安全生產(chǎn)。為以后堅(jiān)硬頂板工作面開采積累了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，有較好的實(shí)用價(jià)值，在我礦404盤區(qū)8411工作面、410盤區(qū)81008工作面跨盤區(qū)、跨工作面應(yīng)用此技術(shù)，經(jīng)濟(jì)效益明顯，技術(shù)總體水平較高，有很好的推廣前景。
作者：晉能控股煤業(yè)集團(tuán)云崗礦 韓立權(quán)
