基于水壓致裂技術的采場堅硬頂板控制實踐

張經緯

（汾西礦業集團水峪煤業，山西 孝義 032300）

0 引言

隨著采掘工藝及技術設備的不斷發展，我國井工煤礦各類型災害事故均得到顯著控制，但由于頂板事故面多點廣，零星頂板事故仍然較為多發，且有約80%的頂板事故是發生在回采工作面。尤其是在我國各大礦區，堅硬頂板分布較為廣泛，容易產生采空區懸頂、大范圍頂板突然冒落等現象，容易引發采場強礦壓顯現，甚至造成人員傷亡事故。因此，必須高度重視回采工作面的頂板管理工作，尤其是當地應力高、頂板堅硬或者過斷層等地質構造時，更應重視礦壓觀測及頂板管理工作，必要時還必須采取人為的頂板弱化等特殊措施[1-3]。針對汾西礦業集團某礦2202 工作面易發生懸頂及強礦壓顯現現狀，在分析其礦壓顯現特征的基礎上，制定水壓致裂頂板弱化方案，并進行工業性試驗，確保了2202 工作面的安全生產。

1 2202 工作面概況

礦井2208 工作面主采4-2 號煤層，工作面范圍內煤層結構穩定，埋深介于320～390 m，平均厚度5.4～7.2 m，平均6.12 m，平均傾角8.5°，采用走向長壁后退式采煤法，綜采放頂煤工藝，自然垮落法管理頂板，主力架型為ZFY18000/25/39D 放頂煤支架。工作面走向長度1 150 m，傾向長度160 m。工作面機采3.7 m，放煤2.2 m，采放比1.0:0.6。工作面頂板整體分布穩定，鉆孔柱狀圖如表1 所示，直接頂為平均厚度8 m 的砂質泥巖，層狀分布，深灰色；老頂為平均厚度12 m 的粉砂巖，灰色，巨厚層狀結構；底板為平均厚度4 m 的砂質泥巖，遇水易膨脹。在日常工作中，加強對工作面的礦壓觀測及礦壓顯現規律分析，統計顯示，工作面初次來壓步距達到45 m，平均來壓持續距離超過5 m，初次來壓時統計到的最大工作阻力達到43.8 MPa，最大動載系數達到1.73。初次來壓時，各類礦壓顯現現象十分突出，例如，工作面出現大范圍煤壁片幫，片幫深度最大超過500 mm，液壓支架活柱下縮量最大達到45 mm，約5 成的液壓支架安全閥開啟。統計到的前7 次周期來壓步距平均為23 m，持續距離3～5 m，來壓期間液壓支架平均工作阻力達到25～42 MPa，平均為28 MPa，平均動載系數達到1.45?？傮w來說，工作面初次來壓及周期來壓步距過大，采空區懸頂現象較為嚴重，工作面來壓呈現出較為典型的強礦壓現顯特征。

表1 2202 工作面鉆孔柱狀圖

2 工作面強礦壓機理分析

2202 工作面在初采過程中，就發現礦壓顯現較為劇烈。根據經典礦壓理論，采場向前推進時，上覆巖層載荷由兩部分承擔，一是采場前方煤體，二是采空區冒落矸石，同時，部分載荷需要由液壓支架來承擔，由于工作面老頂為12 m 的巨厚層狀粉砂巖，回采后懸頂面積大，形成的上部載荷也隨之增大，老頂巖板的回轉下沉會對液壓支架形成較大的動態載荷和靜態載荷，在前方煤體中形成的支承應力也會顯著增加，根據實測礦壓數據，繪制煤壁前方支承應力分布曲線（非來壓期間），如圖1 所示。據圖分析，支承應力的影響范圍即應力升高區達到20 m，峰值點距離煤壁7～8 m，峰值應力達到27 MPa，應力集中系數達到2.2。

圖1 2208 工作面超前支承應力分布示意圖

同時，根據工作面的礦壓顯現特征，工作面中部的礦壓顯現強度明顯高于兩端，且來壓強度大，持續時間長，呈現出強礦壓顯現特征，需要根據2202 工作面的具體條件，針對性實施頂板弱化措施，人為控制來壓的步距，從而有效降低來壓強度。

3 水壓致裂頂板弱化方案設計及應用

基于工作面具體地質生產條件及強礦壓顯現機理分析，對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

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。針對2202 工作面的強礦壓顯現問題，設計的水壓致裂方案如圖2 所示，具體為：在一個壓裂作業周期內，在工作面運輸巷聯絡巷內設置2 個鉆場，各設3 個鉆孔，各鉆孔壓裂長度介于300～500 m，總長度超過2 600 m，有效壓裂距離達到534 m。

圖2 水壓致裂頂板弱化方案設計示意圖

3.2 水壓致裂后礦壓顯現控制效果分析

對比水壓致裂前后工作面的主要觀測指標，以兩次典型周期來壓時的指標為例，對比情況如表2 所示，可知：實施水壓致裂前工作面中部的礦壓顯現強度明顯高于兩端，中部來壓步距達到26 m，上部及下部分別為22 m、20 m，平均為23.4 m；最大工作阻力為41 MPa，出現在工作面中部，最低出現在上部，為33 MPa，平均為37.4 MPa；動載系數最大出現在中下部，達到1.45，最小出現在上部和中上部，為1.35，平均為1.4。實施水壓致裂后，工作面各區域來壓步距、工作阻力、動載系數分布較為均衡，整體來說中部來壓強度還是強于兩端，但差別較水壓致裂前明顯減小，周期來壓期間平均步距為21 m，減小2.4 m；最大工作阻力平均為35.2 MPa，減小2.2 MPa；動載系數平均為1.33，減小0.07?？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。

表2 水壓致裂前后部分礦壓指標對比

4 結語

水壓致裂弱化頂板是處理堅硬頂板強礦壓顯現的有效手段，通過2202 工作面礦壓顯現特征分析，發現工作面來壓時中部的礦壓顯現強度明顯高于兩端，采空區懸頂現象較為嚴重，且來壓強度大，持續時間長，工作面液壓支架安全閥開啟現象頻繁，煤壁片幫范圍廣、深度大，呈現出強礦壓顯現特征?；诠ぷ髅婢唧w地質生產條件及強礦壓顯現機理分析，對水壓致裂頂板弱化方案進行設計，并實施具體的工業性試驗，對水壓致裂前后的礦壓顯現特征進行對比分析，工作面平均周期來壓步距減小2.4 m，最大工作阻力減小2.2 MPa，動載系數減小0.07?？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。