基于水压致裂技术的采场坚硬顶板控制实践

张经纬

（汾西矿业集团水峪煤业，山西 孝义 032300）

0 引言

随着采掘工艺及技术设备的不断发展，我国井工煤矿各类型灾害事故均得到显著控制，但由于顶板事故面多点广，零星顶板事故仍然较为多发，且有约80%的顶板事故是发生在回采工作面。尤其是在我国各大矿区，坚硬顶板分布较为广泛，容易产生采空区悬顶、大范围顶板突然冒落等现象，容易引发采场强矿压显现，甚至造成人员伤亡事故。因此，必须高度重视回采工作面的顶板管理工作，尤其是当地应力高、顶板坚硬或者过断层等地质构造时，更应重视矿压观测及顶板管理工作，必要时还必须采取人为的顶板弱化等特殊措施[1-3]。针对汾西矿业集团某矿2202 工作面易发生悬顶及强矿压显现现状，在分析其矿压显现特征的基础上，制定水压致裂顶板弱化方案，并进行工业性试验，确保了2202 工作面的安全生产。

1 2202 工作面概况

矿井2208 工作面主采4-2 号煤层，工作面范围内煤层结构稳定，埋深介于320～390 m，平均厚度5.4～7.2 m，平均6.12 m，平均倾角8.5°，采用走向长壁后退式采煤法，综采放顶煤工艺，自然垮落法管理顶板，主力架型为ZFY18000/25/39D 放顶煤支架。工作面走向长度1 150 m，倾向长度160 m。工作面机采3.7 m，放煤2.2 m，采放比1.0:0.6。工作面顶板整体分布稳定，钻孔柱状图如表1 所示，直接顶为平均厚度8 m 的砂质泥岩，层状分布，深灰色；老顶为平均厚度12 m 的粉砂岩，灰色，巨厚层状结构；底板为平均厚度4 m 的砂质泥岩，遇水易膨胀。在日常工作中，加强对工作面的矿压观测及矿压显现规律分析，统计显示，工作面初次来压步距达到45 m，平均来压持续距离超过5 m，初次来压时统计到的最大工作阻力达到43.8 MPa，最大动载系数达到1.73。初次来压时，各类矿压显现现象十分突出，例如，工作面出现大范围煤壁片帮，片帮深度最大超过500 mm，液压支架活柱下缩量最大达到45 mm，约5 成的液压支架安全阀开启。统计到的前7 次周期来压步距平均为23 m，持续距离3～5 m，来压期间液压支架平均工作阻力达到25～42 MPa，平均为28 MPa，平均动载系数达到1.45。总体来说，工作面初次来压及周期来压步距过大，采空区悬顶现象较为严重，工作面来压呈现出较为典型的强矿压现显特征。

表1 2202 工作面钻孔柱状图

2 工作面强矿压机理分析

2202 工作面在初采过程中，就发现矿压显现较为剧烈。根据经典矿压理论，采场向前推进时，上覆岩层载荷由两部分承担，一是采场前方煤体，二是采空区冒落矸石，同时，部分载荷需要由液压支架来承担，由于工作面老顶为12 m 的巨厚层状粉砂岩，回采后悬顶面积大，形成的上部载荷也随之增大，老顶岩板的回转下沉会对液压支架形成较大的动态载荷和静态载荷，在前方煤体中形成的支承应力也会显著增加，根据实测矿压数据，绘制煤壁前方支承应力分布曲线（非来压期间），如图1 所示。据图分析，支承应力的影响范围即应力升高区达到20 m，峰值点距离煤壁7～8 m，峰值应力达到27 MPa，应力集中系数达到2.2。

图1 2208 工作面超前支承应力分布示意图

同时，根据工作面的矿压显现特征，工作面中部的矿压显现强度明显高于两端，且来压强度大，持续时间长，呈现出强矿压显现特征，需要根据2202 工作面的具体条件，针对性实施顶板弱化措施，人为控制来压的步距，从而有效降低来压强度。

3 水压致裂顶板弱化方案设计及应用

基于工作面具体地质生产条件及强矿压显现机理分析，对水压致裂顶板弱化方案进行设计。

3.1 水压致裂顶板弱化方案设计

水力压裂技术是煤层增透瓦斯高效抽采和坚硬顶板强矿压灾害治理的有效手段。“十三五”以来，煤矿井下定向长钻孔分段水力压裂技术与装备研发及工程示范应用等方面取得了长足进展，在煤层区域增透瓦斯高效抽采、坚硬顶板强矿压（冲击地压）区域弱化治理、上覆遗留煤柱卸压防治和坚硬煤层放顶开采等方面取得了较好应用效果。针对2202 工作面的强矿压显现问题，设计的水压致裂方案如图2 所示，具体为：在一个压裂作业周期内，在工作面运输巷联络巷内设置2 个钻场，各设3 个钻孔，各钻孔压裂长度介于300～500 m，总长度超过2 600 m，有效压裂距离达到534 m。

图2 水压致裂顶板弱化方案设计示意图

3.2 水压致裂后矿压显现控制效果分析

对比水压致裂前后工作面的主要观测指标，以两次典型周期来压时的指标为例，对比情况如表2 所示，可知：实施水压致裂前工作面中部的矿压显现强度明显高于两端，中部来压步距达到26 m，上部及下部分别为22 m、20 m，平均为23.4 m；最大工作阻力为41 MPa，出现在工作面中部，最低出现在上部，为33 MPa，平均为37.4 MPa；动载系数最大出现在中下部，达到1.45，最小出现在上部和中上部，为1.35，平均为1.4。实施水压致裂后，工作面各区域来压步距、工作阻力、动载系数分布较为均衡，整体来说中部来压强度还是强于两端，但差别较水压致裂前明显减小，周期来压期间平均步距为21 m，减小2.4 m；最大工作阻力平均为35.2 MPa，减小2.2 MPa；动载系数平均为1.33，减小0.07。可见，实施水压致裂后，工作面来压强度整体降幅明显，且在整个工作面范围内分布更为均衡，压裂效果较好。

表2 水压致裂前后部分矿压指标对比

4 结语

水压致裂弱化顶板是处理坚硬顶板强矿压显现的有效手段，通过2202 工作面矿压显现特征分析，发现工作面来压时中部的矿压显现强度明显高于两端，采空区悬顶现象较为严重，且来压强度大，持续时间长，工作面液压支架安全阀开启现象频繁，煤壁片帮范围广、深度大，呈现出强矿压显现特征。基于工作面具体地质生产条件及强矿压显现机理分析，对水压致裂顶板弱化方案进行设计，并实施具体的工业性试验，对水压致裂前后的矿压显现特征进行对比分析，工作面平均周期来压步距减小2.4 m，最大工作阻力减小2.2 MPa，动载系数减小0.07。可见，实施水压致裂后，工作面来压强度整体降幅明显，且在整个工作面范围内分布更为均衡，压裂效果较好，技术及安全效益显著，为处理坚硬顶板大面积悬顶提供了一种行之有效的方法。