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    麻家梁矿14203-1,综放工作面开采初期顶板弱化技术研究

    时间：2023-01-11 21:40:21来源：百花范文网本文已影响人

    高亚伟

    （晋能控股煤业集团浙能麻家梁煤业公司，山西 朔州 036000）

    根据有关统计资料显示，井工开采矿井中约有占比超过1/3 的煤层顶板为坚硬顶板。坚硬底板具有整体性好、硬度大、厚度大等特点，在采面回采过程中难以及时垮落，从而容易导致采面后方采空区内出现大面积悬空[1-3]。当采空区顶板悬空超过一定距离突然垮落时会导致采面来压剧烈，甚至引发冲击地压、通风系统紊乱等问题，给矿井生产安全带来较大威胁[4-5]。综放开采是现阶段厚煤层主要开采方式，当开采煤层顶板为坚硬岩层时，采空区上覆顶板不能及时垮落，会给采面煤炭正常开采带来更为显著的影响[6-7]。众多学者以及工程技术人员等对顶板弱化技术展开研究，并提出通过水力压裂、深孔预裂爆破、CO2致裂等各种技术措施对顶板进行处理。梁龙龙针对综放开采工作面坚硬顶板矿压显现显显著问题进行分析，并针对开采过程中坚硬顶板不容易垮落问题采用深孔预裂爆破方式对顶板进行处理，依据长平矿18403 综放工作面现场实际情况对爆破技术参数、爆破钻孔布置位置以及爆破方式等进行设计，现场应用后有效解决了坚硬顶板难以垮落问题。张宪军等以12108 综采工作面为例，采面回采时由于顶板坚硬导致初次来压步距达到59.5 m，采空区顶板大面积悬空会给导致瓦斯涌出增加、液压支架受力显著增大等问题，影响煤炭生产安全，提出在采面切眼、回采巷道内分别布置爆破钻孔，对顶板弱化，现场应用后顶板初次来压步距降至26.2 m、液压支架动载系数降至1.35，有效降低了坚硬顶板对采面生产影响。深孔预裂爆破可利用矿井现有炸药实施，具有施工便捷优点，但是由于钻孔深度较大、炸药装药困难，同时炸药失爆时处理难度高。水力压裂由于通过高压泵向钻孔内注入高压水，不需要施工炸药，因此在安全性、施工便捷性等方面表现出一定优势。为此，文中以麻家梁矿14203-1 综放工作面回采为工程背景，针对煤层顶板坚硬问题，提出采用水力压裂技术对顶板进行弱化，从而实现采空区顶板及时垮落，为采面初期回采创造良好条件。

    1.1 地质概况

    麻家梁矿14203-1 综放工作面地表呈南高北低，地势平缓，多为耕地及林地。工作面地表北部为朔州市红旗牧场一分场，工作面地表东部有前沙线（公路）南北向通过，工作面南部地表接近雁阳路、南部地表为平坦耕地总体北高南低为一微波装单斜构造，局部有小褶皱，褶皱两翼煤层倾角最大6°。工作面的南部，煤层走向北东转南东，倾向北西转南西，倾角一般为3°～4°，中部煤层走向北东转南东，倾向北西转南西，坡度平缓。北部煤层走向近东西，倾向南，倾角2°～4°。

    本井田内未见火成岩侵入体以及古河流冲刷带。

    14203-1 综放工作面位于井田的中南部北邻为+665 回风巷；
    西侧相隔7 m 煤柱为14204 采空区；
    东为已开采的14202 工作面（开采时间2015 年9 月，开采结束时间为2016 年7 月），具体采面位置见图1 所示。根据已有地质以及回采、切眼掘进显示，工作面开采范围内分布有15 条断层，其中辅运巷FD3 断层（正断层，H = 5.2 m，168°∠60°）及胶带巷JD8 断层（正断层，H= 2.6 m, 97°∠70°）对工作面回采影响较大，其它断层对回采影响较小，断层要素位置见附表所示。本工作面掘进期间未揭露陷落柱，不考虑对回采构成的影响。

    图1 14203-1 工作面位置示意图

    14203-1 综放工作面设计走向长度2 861 m，可采走向长度1 727 m，倾斜长度181.5 m。14203-1 综放工作面开采4 号煤层，煤厚平均9.24 m，煤层较为坚硬，f 值为3；
    4 号煤层自燃倾向等级为Ⅱ类、煤尘具有爆炸性，煤容重1.44 t/m3，开采范围内受到区域构造影响，开采范围内地温正常。采面顶底板以坚硬的中砂岩、粉砂岩为主，具体见表1。经过中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院鉴定14203-1 综放工作面为弱冲击地压工作面，在采面回采期间应采取针对性的防冲击地压技术措施。工作面开采4 号煤层时瓦斯涌出量不大，但工作面单产较高，回采期间若采空区顶板大面积垮落或者悬露面积过大时会导致采空区瓦斯涌出量增大，如管理不善，仍会造成施工场所的瓦斯超限和积聚现象发生，其危害为引起人员窒息和瓦斯燃烧、爆炸。14203-1 综放工作面采高3.5 m，放煤5.74 m，采放比1∶1.64。采面综放设备型号为：国艾可夫SL500AC 型采煤机，工作面前部、后部刮板输送机分别为Front Face Conveyor PF 6/1142、Rear AFC PF6/1342 型，运输能力分别为2 500 t/h、3 000 t/h；
    中部支架ZF15000/27.5/42 型。

    1.2 地应力测定结果

    地用力是影响水力压裂裂纹扩展方向的因素之一，在14203-1 综放工作面附近通过水力压裂法测试地应力分布，在采面切眼、14203-1 胶带运输顺槽、辅助运输顺槽等位置均布置测站，对地应力分布情况见测定，具体测量结果见表3。从测量结果看出，测站获取的最大水平主应力均超过垂直应力，水平应力占比一定优势，其中最大主应力与垂向应力比为1.05～1.13。根据现有研究成果显示，水平应力岩体弹性模量成正比，弹性模量越大则水平应力越高，虽然未测定4 号煤层内水平应力，但是煤层弹性模量较岩层弹性模量更小，因此判定煤层中水平应力小于岩层中水平应力。

    表2 煤层顶底板岩性参数

    表3 地应力测定结果

    参考本煤矿及邻矿同煤层矿压观测资料，选择本工作面顶板岩性参数，从而对顶板来压情况进行预测，具体见表4。

    表4 顶板来压

    在采面初采期间采空区顶板悬空，随着悬空面积增大顶板便会出现初次垮落。根据邻近采面开采资料显示，正常情况下采面初期来压步距在54 m 左右，但是由于14203-1 工作面上覆基本顶坚硬岩层厚度较其他采面更大，预计初期来压步距及周期来压步距较其他采面更大，矿压显现更为显著。因此，提出采用水力压裂技术对顶板进行弱化。

    3.1 水力压裂切顶高度确定

    水力压裂处理坚硬顶板实质是通过高压水破坏顶板完整性，使得采空区覆岩顶板在自重及上覆载荷作用下垮落，从而减少采面初采期间来压步距、降低来压强度，为采面安全回采创造良好条件。

    在14203-1 工作面开切眼处以及回采巷道内均布置水力压裂钻孔对顶板进行弱化，为确保顶板垮落后形成的碎胀岩体可对采空区顶板进行有效支撑（碎胀岩体充填整个采空区），采空区顶板垮落高度与采高间应满足下述要求：

    其中：M表示回采煤层累积厚度，m；
    kp为顶板岩层碎胀系数，无量纲。具体kp可通过下述公式确定：

    其中：kn表示顶板第n 层岩层碎胀系数，Hn表示顶板第n 层岩层厚度，m。由于根据4 号煤层顶板分布情况并结合以往研究成果，取值kp=1.3～1.5。水力压力切顶高度Hp可通过下述公式计算

    将M= 9.24 m、kp= 1.3～1.5 带入到公式（3）中即可求得Hp=18.48～30.8 m。

    3.2 现场水力压裂应用方案

    3.2.1 水力压裂钻孔布置

    为实现顶板岩层有效弱化，为此在切眼内采用ZDY1200S 钻机配合42 mm 钻杆、56 mm 钻头施工水力压裂钻孔，由于顶板垮落高度18.48～30.8 m方可实现顶板垮落岩层充满整个采空区，为此在切眼内布置4 种不同高度水力压裂钻孔，通过不同钻孔参数配合实现顶板方向15～25.5 m 岩层压裂弱化。具体水力压裂钻孔布置见图2 所示。A 型压裂钻孔孔深、倾角分别为50 m、30°，共计4 个，上下端头位置各2 个，以便提高上下端头顶板三角区岩体弱化效果；
    L 型钻孔共计13 个，均匀分布在切眼内，钻孔孔深、倾角分别为40 m、25°；
    S 型钻孔共计19 个，钻孔深度、倾角分别为39 m、45°，在采面均匀布置13 个，在两侧回采巷道距切眼15 m 范围内分别布置3 个。

    图2 水力压裂钻孔布置示意图

    3.2.2 水力压裂工艺及过程

    水力压裂有高压注水系统（高压泵、高压软管、电控箱等）、封隔器、水压监测系统等。具体流程为：钻孔施工、封隔器安装、高压泵启动压裂、再次定位封隔器压裂，依次循环实现顶板坚硬岩层弱化。水力压裂过程中采用的设备及材料基本可实现充分使用，同时压裂过程中不产生有害气体、异常振动冲击等，因而安全性以及经济性等均较深孔预裂爆破技术更为友好。4203-1 综采工作面采用高压水泵进行水力压裂，使用到的设备具体包括有三相异步电机、高水水泵（型号BZW200/56）、清水箱（SX3000）、电控箱（KXJR4-12）、增强型封孔器（ZF19）、切槽钻孔等。采用的清水箱容积为3 m3，配备有水位计、压力表（量程0～100 MPa）; 高水水泵（型号BZW200/56）注水压力为56 MPa、额定功率220 kW。

    水力压裂施工时应注意观察压裂区域内顶板情况以及渗水情况，确保水力压裂安全并避免高压水作用导致顶板出现冒落问题。14203-1 综放工作面从5 月25 日至6 月15 日开始进行间断性压裂，每个水力压裂钻孔压裂3～5 段。压裂中水泵压力集中在15～25 MPa，具体水压变化见图3 所示，部分注水钻孔注水参数见表5。当水压力大于顶板岩层抗压强度后，岩层中会产生新的裂隙，高压水会沿着裂隙向周边扩展，从而降低岩体强度。单段压力时间控制在30～50 min，在钻孔水力压裂过程中切顶顶板出现不同程度淋水情况，表明顶板存在一定的原始裂隙，水力压裂裂纹扩散长度最大可达20 m以上。

    图3 水力压裂过程中水压变化情况

    表5 水力压裂过程部分注水孔注水参数

    3.3 水力压裂顶板弱化效果分析

    14203-1 工作面水力压裂完成后，综采队于6 月18 日开始进行回采，采面推进速度为4.0 m/d，采面于6 月26 日累计推进31 m，采空区顶板全部垮落。在采面上部、中部及下部位置采用型号KJ216抗压监测系统对采面内液压支架工作阻力进行实时监测，具体工作面在初采期间采空区顶板垮落情况见表6。对采面顶板水力压裂后煤壁片帮情况进行监测，水力压裂后采面矿压显现不明显，在顶板来压期间煤壁始终保持稳定，仅局部位置出现小范围片帮，片帮深度以及高度均在200、350 mm 以内。

    表6 采空区顶板垮落统计结果

    在工作面采用水力压裂技术后，采面顶板初次来压步距为31 m，与邻近采面周期来压步距接近，采面初次来压期间矿压显现不明显，取得较好的顶板弱化效果。具体采面来压后顶板垮落情况如图4所示。在后续其他采面生产中，可采用水力压裂技术对顶板进行处理，降低坚硬顶板对采面生产影响。

    图4 采空区顶板垮落情况

    麻家梁矿14203-1 综放工作面顶板岩层坚硬，采面初采期间若不对顶板进行弱化，预计初次来压步距将达到50 m 以上，顶板垮落时会导致采面矿压显现异常、采空区瓦斯大量涌出等问题，从而给采面回采安全带来威胁。为此，提出采用水力压裂技术对顶板坚硬岩层进行弱化。

    根据14203-1 综放工作面实际情况对顶板水力压裂范围以及水力压裂方案，具体采用理论计算方法确定顶板水力压裂高度并结合以往研究成果以及其他矿井水力压裂应用情况，对采面内水力压裂钻孔布置方案、水力压裂设备情况进行设计。现场工程应用结果表明，工作面采用水力压裂对坚硬顶板进行弱化后，顶板强度明显降低，采面推进至31 m 时顶板垮落，垮落期间采面矿压显现不明显，采空区瓦斯涌出正常。

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