水壓致裂與密集卸壓孔聯(lián)合弱化堅硬頂板技術(shù)
韓立權(quán) 楊耀霞 李志云 翁旭澤 徐 亮
一、立項原因及背景
我礦12#層406盤區(qū)8637工作面,頂板較厚巖石層強度大、較為堅硬，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超前頂板進行預裂，保證工作面堅硬頂板的垮落質(zhì)量,結(jié)合傳統(tǒng)的爆破預裂頂板經(jīng)驗得知，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用水壓致裂與密集卸壓孔技術(shù)進行超前預裂頂板。
在8637工作面切巷施工水壓致裂鉆孔，2637巷和5637巷同時施工水壓致裂鉆孔與密集卸壓孔并對鉆孔進行水壓致裂。
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、工作面頂板預裂方案
兩巷端頭頂板處理采用以水壓整體預裂為主，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，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，切斷工作面頂板應力傳遞，能避免出現(xiàn)懸空頂板面積越來越大會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。共計施工6個鉆孔，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)，通過對堅硬頂板水壓壓裂和注水軟化，削弱上覆巖層儲存的高應力，破壞直接頂完整性，使其充分提前垮落，達到弱化礦壓顯現(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先對切巷的6個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，使初采時頂板及時跨落，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，支設加強支柱或其它頂板防護措施。
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,對兩巷30米范圍內(nèi)的鉆孔進行水壓致裂，每次致裂時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30米，兩巷分別各致裂12個鉆孔，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)應按照采空區(qū)的塌落實際情況及時調(diào)整。
3、鉆孔水壓致裂注水設備、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計方案安裝在孔底。
（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）、預裂試驗： 泵前連接三通，三通一邊接進工作面的液管，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卸壓球閥，泵上接一個帶讀數(shù)壓力表，當壓力調(diào)控到20-30MPA時，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，再對管路進行檢查修復。
（5）、檢查完管路與本站滿足工作條件，同時在注水孔附近、管路、本站處的安全警戒設置好后，啟動注水泵，通過高壓注水膠管給鉆孔內(nèi)送入高壓水，保持15分鐘，當預裂孔內(nèi)壓力從峰值泄壓到15MPA時，可以操作球閥緩慢泄壓至零位，完成一個注水循環(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）、再行下一個鉆孔注水致裂。
4、防止反沖計算
防反沖力應大于壓裂過程中產(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：仰孔時正值，俯孔時F為負值
鉆孔內(nèi)膠囊式封孔器以及注水鋼管經(jīng)計算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，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，可以斷定在對頂板進行鉆孔高壓注水后，可以有效破壞工作面頂板的完整性。當水力致裂結(jié)束以后，通過窺視儀對頂板鉆孔內(nèi)部巖石進行觀察，發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)巖石產(chǎn)生了大量縱橫交錯的裂紋，充分說明水壓致裂技術(shù)的實施大大降低了頂板巖層內(nèi)部的強度，破壞了頂板巖層的完整性和穩(wěn)定性，隨著回采的繼續(xù)，裂隙會擴大直至巖層整體發(fā)生破壞，保障頂板的及時垮落。
三、創(chuàng)新點
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行切縫，在局部范圍切斷工作面頂板應力傳遞，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)揮自身承載作用進行補強加固，控制煤柱頂板下沉，保證懸頂垮落效果。
四、社會經(jīng)濟效益
社會效益：
為聯(lián)合弱化堅硬頂板技術(shù)的推廣，提供了可靠依據(jù)，積累了經(jīng)驗。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)濟效益方面均具有突出的優(yōu)勢。8637工作面弱化頂板成功實施后，保證了回采安全，改善了工作面兩巷道圍巖惡劣的應力環(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)濟效益：
聯(lián)合弱化堅硬頂板技術(shù)的應用前首先大大減少了爆破材料投入費用，節(jié)省大量人力物力，按來壓步距10米，每組10個放頂孔計算，共需要炸藥16.4噸，雷管1360發(fā)，導爆索230盤，共節(jié)約爆破材料費用16.2萬元。此外聯(lián)合弱化堅硬頂板切頂質(zhì)量有保障，有效避免堅硬巖性下頂板水壓致裂不完整不充分導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，按人工費每天每人300元計算，共計14人，工期85天，節(jié)約人工費35.7萬元，巷道維修費用，按每米1000元計算，共計700m，節(jié)省費用70萬元，總共創(chuàng)造效益121.9萬元。
五、技術(shù)總體應用水平和推廣前景
根據(jù)8637工作面水力壓裂與密集卸壓孔弱化頂板技術(shù)的實施情況和頂板垮落情況，可以看出弱化技術(shù)的實施可以有效地釋放工作面堅硬頂板的巨大內(nèi)應力，破壞頂板的完整性，最終可以控制頂板分層分次的及時垮落，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)。為以后堅硬頂板工作面開采積累了寶貴的實踐經(jīng)驗，有較好的實用價值，在我礦404盤區(qū)8411工作面、410盤區(qū)81008工作面跨盤區(qū)、跨工作面應用此技術(shù)，經(jīng)濟效益明顯，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)集團云崗礦 韓立權(quán)
