基于水壓致裂的采場堅硬頂板控制技術應用

降承春

（山西焦煤汾西礦業水峪煤業，山西 孝義 032300）

0 引言

在井工煤礦生產過程中，采掘場所上覆堅硬頂板引發的強礦壓顯現會直接影響礦井安全生產，容易引發各類安全事故。近年來，隨著支護工藝及裝備管理水平的不斷發展，煤礦頂板事故發生數量得到顯著控制，但由于頂板事故面多點廣，零星頂板事故仍較為多發，尤其是在頂板較堅硬、地應力較高等情況下，由于堅硬頂板具有厚度大、裂隙不發育、自穩能力強等特征，容易出現采空區大面積懸頂、厚硬頂板突然垮冒等現象，并引發采場強礦壓顯現，甚至造成人員傷亡等惡性事故。因此，當采場面臨堅硬頂板條件時，必須高度重視頂板管理工作，必要時還需要采取措施對頂板進行人為弱化操作，并逐漸發展應用了爆破強制放頂、注水弱化頂板、水力壓裂頂板等措施[1-4]。針對汾西礦業集團某礦2202（全文簡稱2202）工作面堅硬頂板控制難題，基于其特定的地質條件及礦壓顯現特征，制定水力壓裂頂板弱化方案，并進行工業性試驗，確保了工作面的安全生產，并為同類工程難題提供相應參考。

1 2202 工作面概況

汾西礦業集團某礦2202 工作面主采2 號煤層，本工作面范圍內，煤層賦存及整體結構較穩定，平均厚度為6.12 m，平均傾角為8.3°，平均埋深約為350 m。2202 工作面設計走向長度1 100 m，傾向長度150 m，采用綜采放頂煤工藝，機采高度3.7 m，放煤高度2.4 m，走向長壁后退式采煤法，全部垮落法管理頂板，使用的主力液壓支架型號為ZFY18000/25/39D。工作面頂底板賦存詳情如圖1 所示，其頂板賦存的主要特征是直接頂為8 m 厚的砂質泥巖，老頂為12 m 厚的粉砂巖，老頂以上為20 m 厚的砂質泥巖，頂板整體厚度較大，硬度較大，為典型的厚硬頂板。

圖1 2202 工作面頂底板賦存情況

在工作面初采階段，重點實施了采場礦壓觀測，觀測結果表明，工作面呈現出較為典型的強礦壓顯現特征，主要表現在：初次來壓步距達到45 m，最長持續來壓距離達到5.5 m，液壓支架最大工作阻力達到41.2 MPa，動載系數達到1.85，同時，初次來壓期間，工作面煤壁大范圍片幫，48%的液壓支架安全閥開啟；統計到前5 次周期來壓步距平均達到24.4 m，持續距離2.2～4.3 m，支架工作阻力平均為25～41 MPa，平均為24 MPa?？傮w來說，工作面初次來壓及周期來壓強度均較劇烈，來壓步距大，采空區常出現明顯懸頂，需要對堅硬頂板采取針對性弱化措施。

2 水壓致裂技術原理及適用性分析

2.1 堅硬頂板懸頂特征分析

隨著工作面的向前回采，正常情況下直接頂隨采隨冒，老頂周期性破斷，形成常規性的采場來壓現象。而在堅硬頂板條件下，由于煤層上方賦存了堅硬、厚層、完整的直接頂及老頂，采場向前推進后，直接頂垮落不及時，老頂斷裂及回轉下沉滯后，形成了典型的懸頂效應，進而導致支架—圍巖系統承擔更大的上部載荷，而且當大面積懸頂突然垮落時，又會形成較強烈的動壓載荷，是為工作面礦壓顯現劇烈的重要影響因素。同時，堅硬難冒頂板的活動規律不同于穩定頂板，其主要特點是活動范圍大，波及的層位高，作用時間集中，間隔時間較長，而且周期性較為明顯。當頂板懸頂面積不斷增大時，采場載荷逐漸積累，出現一個穩定增長期，當相對穩定時期過后，頂板就會發生大面積的塌落，這個時期內，頂板活動威力大、范圍廣，經常造成推垮工作面事故，危害較大。

2.2 水壓致裂技術原理及適用性分析

水力壓裂技術是煤層增透瓦斯高效抽采和堅硬頂板強礦壓災害治理的有效手段?！笆濉币詠?，煤礦井下定向長鉆孔分段水力壓裂技術與裝備研發及工程示范應用等方面取得了長足進展，在煤層區域增透瓦斯高效抽采、堅硬頂板強礦壓（沖擊地壓）區域弱化治理、上覆遺留煤柱卸壓防治和堅硬煤層放頂開采等方面取得了較好應用效果[5-8]。對本工作面來說，若達到水力壓裂降低礦壓顯現程度的目的，首先需要確定壓裂的頂板層位，然后確定鉆孔參數及施工工藝，最后實施頂板注水施工。按照本工作面的頂板條件，需要對老頂粉砂巖實施水力壓裂，主要施工位置為工作面中部，鉆孔及注水位置選定在工作面運輸順槽。

3 水壓致裂方案設計及應用

基于工作面的頂板特征及工作面生產條件，按照關于水壓致裂技術原理及適用性的分析，對2202 工作面水壓致裂頂板弱化方案進行設計。

3.1 水壓致裂頂板弱化方案設計

按照以上分析，結合礦井已有水力壓力施工經驗，設計在工作面運輸順槽內布置鉆場實施水力壓裂鉆孔施工及注水施工，具體為：針對某個需要弱化的懸頂周期，一次注水操作需要成對布置2 個鉆場，每個鉆孔設3 個鉆孔，共計6 個鉆孔，孔徑設計為96 mm，各鉆孔長度根據目標層位及實際情況進行確定，注水壓力最大為31 MPa，最小為10 MPa，根據實際操作過程進行調整。例如，工作面推采過程中某次水力壓裂施工，具體的工作方案及鉆孔參數如表1 所示。

表1 水壓致裂鉆孔參數設計表

最后需要制定水力壓裂的整個工作流程，如圖2所示，壓裂方案的設計內容包括壓裂設備選型及安裝調試，工具組合，壓力、排量、注水量，監測監控和安全技術措施。根據既定方案，分段實施水力壓裂施工，按照流程對各個鉆孔進行注水，直至壓裂結束。

圖2 水壓致裂工藝流程設計示意圖

3.2 水壓致裂后礦壓顯現控制效果分析

按照設計方案實施鉆孔施工及注水施工，以1 號鉆孔為例，鉆孔施工完畢后，啟動注水壓力泵進行注水，水壓迅速增大至峰值31 MPa，并逐漸穩定在24 MPa 進行常規性注水，注水過程即對鉆孔內裂隙進行擴展，此間壓力會出現波動變化，最大壓降值達到6.5 MPa，1 號鉆孔的注水時長達到120 min 后壓降基本降至0，隨后停止作業。

依照此方案，對2～6 號鉆孔分別實施注水壓裂，并對壓裂前后工作面的主要礦壓指標進行對比分析，對比的指標包括來壓步距、最大工作阻力以及動載系數，對比情況如表2 所示，可以看出：實施水壓致裂前，工作面某次典型周期來壓的步距平均值為24.4 m，最大工作阻力及最大動載系數出現在工作面中部，分別為41 MPa 及1.84，平均值為37.4 MPa 及1.68。而實施水壓致裂后，各項礦壓指標均有明顯改善，其中，致裂后某次典型周期來壓的平均步距值降為21.6 m，降幅為11.5%；最大工作阻力平均值降為34.2 MPa，降幅為8.6%；最大動載系數平均值降為1.37，降幅為18.5%?？梢?，實施水壓致裂后，工作面來壓強度整體降幅明顯，且在整個工作面范圍內分布更為均衡，壓裂效果較好，達到了預期目標。

表2 水壓致裂前后主要礦壓指標對比

4 結論

1）2202 工作面直接頂為8 m 厚的砂質泥巖，老頂為12 m 厚的粉砂巖，老頂以上為20 m 厚的砂質泥巖，頂板整體厚度較大，硬度較大，為典型的厚硬頂板，工作面初次來壓及周期來壓強度均較劇烈，采空區懸頂情況非常突出。

2）按照本工作面的頂板條件，需要對老頂粉砂巖實施水力壓裂，主要施工位置為工作面中部，鉆孔及注水位置選定在工作面運輸順槽，針對某個需要弱化的懸頂周期，一次注水操作需要成對布置2 個鉆場，每個鉆孔設3 個鉆孔，細化了頂板弱化整體方案，制定了水壓致裂工藝流程。

3）按照既定方案實施鉆孔施工及注水壓裂施工，并進行注水前后礦壓觀測指標對比，發現實施水壓致裂后，周期來壓平均步距降幅為11.5%，最大工作阻力降幅為8.6%，最大動載系數降幅為18.5%?？梢?，實施水壓致裂后，工作面來壓強度整體降幅明顯，且在整個工作面范圍內分布更為均衡，壓裂效果較好，技術及安全效益顯著，為處理堅硬頂板大面積懸頂提供了一種行之有效的方法。