水压致裂坚硬顶板在“双系”煤层中的应用

冯 杰

0 引言

水压致裂技术已被国内外在单钻孔内测量平面应力场及石油与天然气开采中得到广泛应用，但对于煤矿生产中的应用存在单一性，目前水压致裂技术在煤矿生产中仅局限于地应力测量的测试技术[1]。我们将水压致裂技术与煤矿生产相结合，成功应用于煤矿“双系”煤层中水压致裂坚硬顶板。

以塔山井田石炭二叠系山4#和2#煤层为例，在实际开采过程中，头、尾顺槽端头滞后悬板难以垮落，悬板面积大于《煤矿安全规程》中规定的5×10 m2，需要进行人工强制放顶作业（深孔爆破）。由于山4#和2#煤层瓦斯赋存含量高、浓度大，初采期间，多次发生瓦斯传感器报警及断电现象，严重威胁工作面安全生产。而对高瓦斯矿井综采工作面煤层顶板中坚硬砂岩层采用普通钻孔炸药爆破方法会形成火焰，当瓦斯浓度集聚到一定浓度范围时，存在诱发瓦斯及煤层爆炸的次生灾害。受此影响，生产过程中，无法采用人工强制放顶作业（深孔爆破）对头、尾顺槽端头滞后悬板进行放顶。

1 水压致裂坚硬顶板方法及设备

1.1 水压致裂坚硬顶板方法

坚硬顶板水压致裂控制区域选取在一盘区山4#8102 工作面5102 巷，设置致裂泵站、监测系统、控制系统以及人员的作业空间。主要是通过钻孔高压水将坚硬顶板致裂开，致裂区域与控制区域铺设高压管路，在致裂区域巷道顶板施工致裂钻孔，同时增加单体支护长度及缩小单体柱支护间距，对巷道顶板进行临时加强支护。

在5102 巷道顶板以45°、30°仰角施工两组S1 和S2、S3 和S4 四个水压致裂钻孔，由于水压致裂坚硬顶板的致裂效果主要取决于顶板岩性，顶板越致密、坚硬，节理裂隙不发育，致裂效果越好。故在进行水压致裂前先了解致裂区域内顶板岩性，保证最佳的顶板致裂效果。钻孔柱状图见第2 页图1。

1.1.1 钻孔布置

水压致裂坚硬顶板适用于“双系”煤层（侏罗系、石炭二叠系），水压致裂坚硬顶板主要针对煤层上方直接顶，即：煤层顶板为2 m～3 m 厚的坚硬中、粗砂岩。

根据5102 巷钻孔柱状图分析，水压致裂坚硬顶板钻孔主要致裂直接顶1.13 m 细砂岩、1.78 m 粗砂岩、2.49 m 细砂岩；水压致裂区域根据致裂泵压力及流量，致裂区域在工作面超前70 m 范围内。

钻孔布置见第2 页图2 所示，在5102 巷超前工作面70 m 的位置施工两组S1 和S2、S3 和S4 四个水压致裂钻孔，开口位置距离巷道外帮为1 m（尽量靠近煤柱侧，以钻机可施工为依据），S1 和S2 孔口水平间距为2 m，第一组S1 和第二组S3 孔口水平间距为13 m。钻孔深度根据巷道顶板锚索支护长度（钢绞线长5.3 m），S1、S3 钻孔孔深9 m，垂深6.36 m，倾角45°；S2、S4 钻孔孔深13 m，垂深6.5 m，倾角30°。S1、S2、S3、S4 均采用Ф42 mm 的钻头施工，施工至预定深度后退出钻杆，更换为开槽钻头，进行孔底开楔形环槽。

图1 山4 号层8102 工作面5102 巷顶板钻孔柱状

图2 钻孔布置示意（单位/m）

1.2 水压致裂坚硬顶板设备

1.2.1 封孔器

封孔器采用中国矿业大学设计的FKSS 增强型水压致裂专用封孔器（Ф42 mm），封孔段长度2 m，封孔器全长2.1 m，封孔器与安装杆相连，然后连接至高压注水管路。

1.2.2 楔形环槽致裂钻孔

根据致裂岩层的位置，为减小岩石层面对裂缝扩展的影响，钻孔开槽位置应选取在岩层的中间位置。因此确定S1、S3 致裂钻孔开槽位置为距离顶板6.36 m（垂高）、S2、S4 致裂钻孔开槽位置为距离顶板6.5 m（垂高），进行单一楔形环槽致裂。S1、S2、S3、S4 钻孔分别采用直径42 mm 钻头施工，S1 和S3、S2和S4 钻孔分别施工至孔深9 m、13 m 时，退出钻杆，取下钻头。更换为开楔形环槽钻头，再送入钻孔孔底，开动钻机，钻头两侧的刀片张开，刀片张开的同时钻头转动，在钻孔孔底形成楔形环槽。开槽后，钻杆停止向前钻动，改为向后钻动，刀片收缩进入开槽钻头内；退出钻杆及钻头，即完成开槽钻孔的施工。

1.2.3 泵站及高压管路铺设

致裂泵采用南京六合煤矿机械有限公司生产的BZW200/56 型注水泵，公称流量200 L/min，公称压力56 MPa。

水箱是注水泵站工作介质的存储器，起着回收系统溢流回液和沉淀、过滤、向泵站提供洁净工作液的作用。

致裂泵站布置在致裂钻孔外侧的巷道内（即超前工作面150 m），距离钻孔位置在100 m 以内。高压管路沿巷帮铺设，需将高压管路用铁丝固定至巷帮。

1.2.4 实时检测仪

水力致裂过程中的水压力采用中国矿业大学研制的煤矿井下水力致裂监测仪来实时监测、曲线显示和数据存储。

2 水压致裂坚硬顶板工艺

将封孔器与1 节安装杆通过快速接头连接，安装好U 型卡送入钻孔；在孔外逐节连接安装杆，倾斜送入顶板致裂钻孔。S1、S3 钻孔送入封孔器1 根，安装杆7 根，共计9 m，即：封孔深度为9 m，封孔段长度2 m。S2、S4 钻孔送入封孔器1 根，安装杆10 根，共计13 m，即：封孔深度为13 m，封孔段长度2 m。将安装杆外端通过变接头与高压胶管连接。检查各个环节均已准备完毕，在控制区域和致裂区域两端分别设置警戒，严禁人员及车辆进出，开启致裂泵，进行水力致裂。

S1、S3 钻孔累计有效致裂时间为400 s，水压（压力）峰值为51.09 MPa、51.2 MPa，注水量0.39 m3、0.42 m3；S2、S4 钻孔累计有效致裂时间为380 s，水压（压力）峰值为49 MPa、49.2 MPa，注水量为0.37 m3、0.38 m3。

图3 水压致烈顶板裂缝

3 结语

通过在5302 顺槽超前支护靠煤柱帮侧的巷道顶板上距离巷帮1 m 的位置沿巷道轴线方向施工1 排观测钻孔，观测钻孔垂直顶板向上开设。每排观测钻孔包括若干组观测孔，每组观测钻孔包括两个观测钻孔：第一观测钻孔和第二观测钻孔，每排的所有观测钻孔间距都为8 m；通过岩层钻孔探测仪对观测钻孔进行探测发现水压致裂后，煤层顶板上方2 m～3 m厚坚硬中砂岩层已产生平行裂隙，证明水压致裂坚硬顶板成功（见图3）。宏观观测，工作面回采至水压致裂区域，顶板垮落严实，尾端头滞后悬板面积缩小为2×3 m2。根据KJ-216 顶板动态在线监测监控系统分析，工作面及尾端头支架工作阻力由原39 MPa 降低至32 MPa 左右，有效保障工作面回采作业安全。

[1]刘允芳.水压致裂法三维地应力测量[A].夏熙伦.工程岩石力学[C].武汉：武汉工业大学出版社，1998：199-207.