特厚煤层综放面初采水压预裂弱化顶板现场试验研究

姚 博，张东海

（鄂尔多斯市国源矿业有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

特厚煤层综放面初采期间由于坚硬顶板难以自行垮落，在工作面回采过程中，随着工作面的推进，采空区悬顶面积不断增大，工作面支架阻力也不断增加，而直接顶冒落矸石不能充满采空区，当悬顶面积达到一定范围时，老顶突然发生大面积垮落，对支架设备及人员安全造成危害。为此针对坚硬顶板破断机理及控制技术的研究一直是采矿工作者关注的重点问题。

传统处理坚硬顶板的方法是人工爆破强制放顶或顶板软化[1-2]，人工爆破强制放顶工程量和炸药量大，成本高，且对于高瓦斯矿井打眼放炮控制顶板有一定的安全隐患。坚硬顶板注水软化则主要停留在顶板

吸水湿润软化的层次。因此，水压致裂技术作为一种安全高效的坚硬顶板处理方法被广泛应用。采用水压预裂弱化顶板能有效缩短特厚煤层综放面坚硬顶板的初次垮落步距[3-8]。本文以国源煤矿61601综放面的生产应用为例，分析了水压预裂弱化顶板技术在综放面初采中的应用效果。

1 工作面概况

国源煤矿61601综放面开采6号煤层，平均厚度为23.83m，煤层倾角0～5.5°；直接顶为深灰色泥岩，平均厚度5.0m，密度为2.40g/cm3；老顶为粗砂岩，平均厚度9.62m，密度为2.68g/cm3；底板为泥岩和砂质泥岩。6号煤及其顶底板岩层的物理力学特性见表1，由顶底板岩性及其强度来看，61601工作面的老顶属于坚硬顶板。

61601工作面采用综合机械化放顶煤工艺开采，工作面倾斜长度为254.6m，推进长度为615m。工作面采高5.1m，放煤高度18.73m，采放比为1：3.7，循环进度0.865m。

表1 6号煤及其顶底板岩层的物理力学特性

2 综放面老顶极限跨距的理论预测

6号煤层的埋深346.1～427.8m，平均387m，按照固支梁力学模型计算老顶的极限跨距[11-12]。

式中，LS为老顶的极限跨距，m；h为老顶厚度，m；σt为老顶岩层的抗拉强度，MPa；K为老顶岩层龟裂系数，取0.6；q为老顶承受的载荷集度。

同时工作面老顶的极限跨距受上方岩层的载荷影响，第n层岩层对老顶所产生的载荷为：

式中：（qn）1为第n层岩层对第1层（老顶岩层）岩层的作用载荷，kPa；E1，E2，……En为各岩层的弹性模量，MPa；n为岩层层数；h1,h2……hn为各岩层的厚度 m；γ1,γ2……γn为各岩层的体积力，kN/m3。

由式（2）计算61601工作面上覆岩层作用在老顶岩层上的载荷为

(q1)1=γ1h1=222.49kPa

由于(q3)1＜(q2)1，取 q=(q3)1并以(q3)1作为老顶的载荷，可得61601综放面老顶断裂的极限跨距为：

61601综放工作面未实施水压预裂顶板时，老顶初次极限跨距理论值为61m。

3 预裂工艺及方法

在工作面安装之前，开切眼中工作面前方实施水压预裂弱化顶板，从而改造顶板岩体结构，使顶板及时垮落、围岩应力转移[13-16]。

3.1 预裂钻孔高度

根据61601工作面顶板岩层结构，确定水压预裂的主要顶板岩层为9.62m的粗砂岩，则预裂钻孔的垂直高度为：

式中：h1为钻孔孔口上方顶煤厚度，20.33m；h2为直接顶厚度，5.4m；h3为 6上煤层厚度，2.95m；h4为老顶中粒砂岩厚度，9.62m。

3.2 水压预裂工艺流程

水力压裂顶板岩层工艺过程如图1所示。

1）采用横向切槽的特殊钻头，预制横向切槽，如图(a)所示。

2）利用手动泵为封隔器加压使胶筒膨胀，达到封孔目的，如图（b）。

3）连接高压泵实施压裂，如图（c）。

图1 水力压裂顶板岩层工艺示意图

3.3 钻孔的长度及仰角

考虑水压钻孔施工、钻孔利用和压裂效果等因素，确定开切眼中钻孔的向上仰角（钻孔与顶板岩层面间的夹角）为50°，位于回风顺槽和运输顺槽中的钻孔的仰角也是50°，钻孔的直径为56mm，长度为50m。

3.4 钻孔布置

在61601工作面开切眼正帮煤壁，距底板3.5m布置一排28个钻孔，编号为1-28号，孔深50m；在61601工作面开切眼采空区侧顶板处布置了一排13个煤孔钻孔和8个顶板钻孔，编号分别为45-57号和33-40号，其中煤孔钻孔孔深26m，顶板钻孔孔深50m；在辅运顺槽回采帮侧布置29-30号钻孔，孔深50m，煤壁帮侧布置41-42号顶板钻孔，孔深50m；在主运顺槽回采帮侧布置31-32号钻孔，煤壁帮侧布置43-44号钻孔，孔深50m，各钻孔参数如表2所示，61601工作面水压预裂钻孔布置图如图2所示。

表2 各钻孔的参数

图2 61601工作面水压预裂钻孔布置图

3.5 钻孔及封孔方式

1）钻孔方式。

钻孔采用全液压ZDY1200S钻机及配套钻机平台，钻杆为长度1.5m的Φ42mm钻杆，采用Φ56mm钻头。

2）封孔方式。

选用FKss-45/40封孔器进行封孔作业，封孔压力为12～16MPa，保证各管路连接处密封完好。试压时加压到2～5MPa检查各密封情况，试压达到要求后方可投入使用。封孔工艺如图3所示。

图3 封孔工艺示意图

4 水压预裂弱化顶板技术效果的现场实测分析

4.1 顶板水压预裂效果分析

通过采用JL-IDOI(C)智能钻孔三维电视成像仪随机对已预裂顶板孔进行成像分析，查看钻孔内裂隙情况，以确定预裂效果。顶煤、直接顶及老顶水压预裂后钻孔壁情况如如图 4 中（a）、（b）、（c）所示。

通过水压致裂弱化顶板的关键主要体现在两方面：一是通过水压裂缝的起裂和扩展，改造岩体的宏观结构，增强顶板的渗透性；二是通过高压水对岩石的物理化学作用，降低岩石的力学性能。二者共同作用弱化岩体的力学性能，降低顶板岩石的整体强度，使顶板及时垮落。水压致裂过程中检测到管路的最高水压为25MPa，每个钻孔致裂时间平均为50min，注水量平均为6m3。同时观测到相邻钻孔出水量较大，即水压裂缝扩展至相邻钻孔。

图4 水压预裂前后钻孔壁情况

由图可以看出：实施水压预裂后，顶煤、直接顶和老顶钻孔壁均出现不同程度的裂隙，顶煤钻孔壁产生纵向裂缝，直接顶钻孔壁产生横向裂隙，而老顶钻孔壁产生横向、纵向交错裂隙，且裂隙较大。说明当注水压力达到煤岩体裂隙结构系统的极限压力值时，作为多孔介质的煤岩体中的渗流系统被破坏，水在煤岩体中的运动不再是渗流的形式，而是沿煤岩体裂隙做层流运动，如图4所示。由此可见，水压预裂弱化坚硬顶板效果明显。

4.2 矿压监测

为研究初采水压预裂对特厚煤层综放面坚硬顶板及时垮落的影响，在61601预裂面初采期间进行现场矿压监测。监测内容包括顶煤初次垮落步距、直接顶垮落步距和老顶初次来压步距等。

61601综放面实施顶板水压预裂后，当工作面推进到11.5m时，顶煤初次垮落；在工作面推进到15.5m位置时，工作面开始放煤；在工作面推进到50m时，老顶断裂，工作面初次来压。

因此，采用水压预裂弱化顶板技术，61601综放面老顶初次来压步距由61m缩短至50m。通过水压预裂坚硬顶板施工，基本解决了初采期间坚硬顶板不及时垮落引发来压问题，消除了大面积悬顶突然垮落造成设备和人员的安全隐患。同时提高工作面初采期间煤炭回收率和经济效率。

5 结 论

1）通过水压预裂顶板钻孔成像结果表明，水压预裂通过改造坚硬顶板煤岩体整体性结构和力学性质，造成煤岩体内裂隙扩展，从而达到初采前坚硬顶板预裂弱化的效果。

2）通过理论分析，当预裂水压大于煤岩体裂隙结构系统的极限压力值时，煤岩体中的渗流系统被破坏，水在煤岩体中的运动不再是渗流的形式，而是沿煤岩体裂隙做层流运动。

3）通过水压预裂弱化顶板，使61601综放面初次来压步距由61m缩短至50m。初采前对顶板实施水压预裂减小了采空区的悬顶面积，提高了矿井生产的安全，具有良好的实际意义，建议在类似的特厚煤层综放工作面推广。