坚硬顶板综采工作面水力压裂切顶卸压技术研究

苗卿

【摘 要】 山西某矿8105工作面顶板煤层中存在硬度较大的砂岩，导致顶板无法正常垮落。文章基于工作面围岩压力试验，采用离散元软件UDEC数值模拟，进行了现场水力压裂切顶试验。结果表明：1.切割角度为10°时，切割效果最佳;2.水力切割钻孔间距设置为10m可满足卸压要求;3.水力压裂切顶技术实施完成后，回采14-16m区间段，顶板正常垮落;水力压裂切顶卸压技术可以有效解决坚硬顶板不能正常来压的问题，研究结果可为类似工程问题提供参考。

【关键词】 坚硬顶板;数值模拟;现场实施;效果考察

【中图分类号】 TD327.2 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2021）06-0001-03

矿井顶板事故一直严重威胁矿井安全生产，顶板坚硬导致放顶煤层开采过程中顶板无法按照设计步长正常垮落，随着开采长度不断增大，应力达到坚硬顶板弹性极限便会突然垮落，形成冲击地压，对综放工作面支架设备及人员造成巨大损伤，后果不堪设想。李文龙研究发现，进行水力压裂切顶技术时，脉冲式动压水致裂效果更好;程晓强教授研究发现，在综采面顶板实施静压水，随着时间推移，顶板产生了膨胀;郭伟研究发现，切顶技术在燕家河煤业10103综采面沿空留巷中实施效果比较好，有效解决了沿空留巷顶板无法卸压的问题;戚福周博士研究了高应力沿空留巷切顶卸压围岩变形的问题，研究结果表明，切顶卸压在高应力沿空掘巷掘进过程中，有效控制了留巷围岩变形的问题。综上所述，切顶卸压技术的应用具有一定的广泛性。山西某矿顶板岩层比较坚硬，无法正常垮落，本文拟采用实验室试验、数值模拟及现场验证等手段，进行坚硬顶板综放工作面水力压裂切顶研究，以期达到综放工作面顶板正常垮落的效果。

1矿井工作面概况

山西某矿核定产能120万t/a，矿井为高瓦斯矿井，目前回采至8105工作面，主采煤层为8#煤层。8#煤层平均厚度5m，直接顶板为泥岩，厚度3.4m，其次为砂岩和粉砂岩;底板为泥岩、细砂岩。煤层顶底板岩石特性如表1所示。8105工作面走向长度1987m，切眼长度178m，工作面采用走向长壁放顶煤采煤法，一次采高3m，放顶2m。工作面区域结构简单，无大型构造。

根据煤层顶板岩性情况判断，砂岩为坚硬顶板，会影响顶板正常垮落，威胁8105工作面正常放顶煤开采。

2 煤岩样品力学试验

在工作面位置取煤样和岩石样本进行实验室参数测定，主要完成三轴压力测试，采用DDL500电子式万能试验机。压力机压力设置为0-70MPa，压力逐渐增大。煤样机试验过程如图1所示，测得基本参数如表2所示。

3 顶板切顶数值模拟研究

根据目前8105工作面顶板情况分析，工作面放顶过程中出现顶板过硬、顶煤无法正常垮落的现象。为解决以上问题，现拟采用水力压裂切顶卸压技术对煤层坚硬顶板进行切割，为确定切割角度，现采用UDEC軟件进行数值模拟研究。UDEC软件是一款离散元软件，可以模拟出岩石破裂的过程。数值模拟参数来源于实验室研究，具体岩性参数见表2所示。

采用UDEC建立的数学模型进行采空区不同切角数值模拟，根据现场力学测试，顶板承受的应力为120MPa，模型底板、左侧、右侧均固定约束，在数值载荷下，分别在工作面进行水力压裂切顶，模拟得出在不进行水力压裂措施下，以及切割角度分别在0°、10°、20°情况下，模型应力变化及垮落的情况，模拟结果如图2所示。

由图2可知，在不水力切割的情况下，采空区正常垮落时，整体会出现延后现象，且坚硬顶板在采煤工作面上切眼位置无法正常垮落，极容易产生顶板事故;切割角度为0°时，由于切割位置为采煤工作面上方，有效影响范围较小，容易产生上覆岩层直接竖直垮落，无法形成缓冲作用;切割角度为10°时，上覆坚硬顶板可以正常垮落，且垮落周期短，不影响安全生产;切割角度为20°时，工作面垮落位置整体趋向于采空区，垮落岩体较多，垮落周期更短，不符合综放面安全回采放顶周期要求。

综上所述，切割角度为10°时，顶板可以满足工作面正常垮落要求。

4 水力压裂切顶卸压技术实施及效果考察

根据模拟研究结果，顶板切割角度为10°，现在8105工作面实施该技术。该工艺实施步骤为：打钻→水力压裂→封孔。

根据水力压裂技术工程研究结果可知，水力压裂技术单个钻孔有效影响范围为5m，因此设计钻孔间距为10m。钻孔设计图如图3所示，钻孔参数如表3所示。

施工完成后对工作面放顶步长进行了考察，考察结果如图4所示。

现场每20m实施一排钻孔进行过水力切顶，切顶角度为10°，通过水力切点后，对每次来压时掘进距离进行统计，统计结果显示，基本回采14-16m时，顶板即可正常放顶，未出现顶板无法正常垮落的现象。

5 总结

为解决坚硬顶板无法正常垮落问题，文章以山西某矿8105工作面为研究对象，进行了数值模拟研究，实施了水力压裂切顶技术，进行了后期效果考察，得出以下结论：

数值模拟研究结果表明，切顶角度设为10°时，效果最佳，可以有效放顶;

现场实施完成水力压裂钻孔17个，每20m实施一组，实施完成后顶板正常垮落，当回采距离达到14-16m区间范围内，顶板均可正常垮落。

水力压裂切顶卸压技术的有效实施，解决了坚硬顶板无法正常垮落的问题，研究成果对其他相关矿井顶板灾害治理有一定指导意义和现实意义。

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