同忻矿8106工作面坚硬顶板水压致裂技术研究实践_武洁.pdf

煤矿现代化2019 年第 3 期总第 150 期 1工程背景 同煤集团同忻矿 8106 工作面现主采石炭系太原 组 3～5 煤，煤层均厚 14.47m，平均开采深度约 417m， 煤层平均倾角为 3， 属于近水平煤层， 上覆直 接顶为均厚 12.52m 的砂质泥岩、 2 煤层及细砂岩组 成的复合顶板，老顶为均厚 15.11m的细砂岩中砂岩 互层 （K3 老顶） ， 该老顶岩性致密、 以石英和长石为 主、 强度及稳定性均较好。工作面采用综采放顶煤开 采工艺，该工作面纯煤层厚度为 13.33m，采煤高度 3.5m， 放煤高度 9.83m， 采放比为 1 2.81， 煤机截深为 0.8m， 一采一放， 全部垮落法处理采空区。 通过对 8105 工作面回采过程中矿压观测可知， 老顶的初次来压步距约为 130.8m，周期来压步距约 为 18.3m 左右， 来压期间顶板压力较大， 持续时间较 长， 液压支架安全阀开启频繁， 活柱下缩量最大可达 到 300mm/h， 工作阻力可达到 14000kN 以上， 工作面 中部矿压显现强于两个端头， 同时伴随煤壁片帮等现 象发生， 片帮深度可达 1000mm以上。顺槽超前支护 段出现支柱折损、 钢梁压弯、 顶板急剧下沉等强矿压 现象。对工作面上覆顶板运动的微震监测结果表明， 特厚煤层回采动压影响范围为工作面煤壁前方 50～60m范围， 对上覆顶板影响高度在 170m左右。 2坚硬顶板水压致裂控制技术 同忻矿所采石炭系特厚煤层在使用综放开采技 术时所表现出的强矿压现象是多种因素综合作用的 结果， 地质构造导致的应力集中程度高、 煤层上覆数 层厚硬顶板的分期破断变形失稳、 回采巷道动压应力 高、 侏罗系上组煤采后遗留的采空区及煤柱等， 都会 导致强矿压现象发生。 针对该矿特厚煤层的赋存情况 及生产条件， 仅靠提高液压支架对顶板的支承强度无 法完全阻止强矿压现象的发生， 因此通过对顶板强度 进行弱化， 对高应力条件进行缓解， 合理选用支架工 作阻力， 才能从根本上防止上述强矿压现象的发生。 2.1水压致裂施工工艺流程 水压致裂工业性试验选在同忻矿 8106 工作面进 行，所需压裂设备主要有隔爆型水利压力电动机、 BZW200/56 型注水泵、 容积 3000L 的 SX3000 型清水 箱、 电器控制箱、 切槽钻头、 封孔器及安装杆等。 注水施工包括钻孔、 封孔及注水三个步骤， 其设 备布置如图 1 所示。 同忻矿 8106 工作面坚硬顶板水压致裂技术研究实践 武 洁 （大同煤矿集团有限责任公司资源筹备处 ，山西 大同 037003 ） 摘要 针对同忻矿 8106 工作面开采过程中坚硬顶板来压剧烈问题， 提出了通过水压致裂对顶板强 度进行弱化的方案。本文对水压致裂施工工艺流程进行了介绍， 确定了水压致裂弱化顶板关键参数， 在 5106 巷内进行了工业性试验， 施工后顶板周期来压步距和强度都得到减小， 巷道超前支护段内顶 板基本无下沉， 巷道变形量较小， 支护效果良好， 实现了工作面安全生产， 该项研究对同等地质情况下 坚硬顶板矿压控制有一定的参考借鉴意义。 关键词 坚硬顶板 ； 来压剧烈 ； 水压致裂 ； 弱化顶板 中图分类号 TD327文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2019 ） 03- 0023- 04 Research and practice on hydraulic fracturing technology of hard roof in 8106 face of Tongxin mine WU Jie （Resource Preparation ofDatongCoal Mine Group Co.,Ltd. , Datong 037003 , China ） Absrtact Aimingat the severe problemofhard roofduringminingin 8106 workingface ofTongxin mine, this paper puts forward a scheme of weakening roof strength by hydraulic fracturing. This paper introduces the construction process of hydraulic fracturing, the key parameters of hydraulic fracturing weakening roof are determined, the industrial test is carried out in 5106 Lane, and the step spacing and strength are reduced after construction, the roof of the roadway is not sunk in the leading Support section, the roadway deation is small, the supporting effect is good, The study can be used for reference tothe rock pressure control ofhard roofunder the same geological conditions. Keywords hard roof; pressure cracking; weakeningroof 23 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 3 期总第 150 期 图 1水压致裂施工系统布置图 1 ） 钻孔。将钻机放置于工作面顺槽内， 若巷道断 面大小无法满足设备需求可新开掘钻场， 根据设计方 案中的仰斜及水平角度朝顶板进行钻孔， 所需钻机型 号根据岩层情况及钻孔参数来选取， 针对砂岩顶板可 选用 TXU- 75 型、 FRA- 160 型或 MYZ- 150 型。 为方便 钻孔及封孔施工的进行， 施工点应壁面光滑、 岩层内 无明显的节理裂隙及离层等现象， 钻孔施工完成后将 切槽刀具放入钻孔底部以切出楔形槽， 如图 2 所示。 图 2切槽示意图 2 ） 割缝。割缝设备如图 3 所示， 将机身 1 与导向 装置组合在一起， 其中有一个纵向的开槽， 刀具 5 通 过螺栓 8 连接在机身 1 上， 并将其放置于导向装置 2 轴线方向的切槽中， 使其能在轴线方向运动。上述设 备原件除可同时运动外，可沿着轴向和径向带动稳定 装置 10 进行运动。 通过复位弹簧可以使处于极限拉伸 状态的导向装置 2 和机身 1 连接。刀具 5 处于导向装 置外部， 通过剪切方式向前运动。 在仪器的末端有定向 锥 3 和连接器， 通过二者的作用使钻杆与仪器相连接。 图 3割缝设备示意图 在具体施工中， 首先将设备机身和钻孔相连接并 放入钻孔中， 同时将定向锥推入孔底。机具在孔中先 原地进行空钻， 待将钻孔中的泥浆冲出并有清水流出 时， 随后向前推动钻杆运动， 其向前移动量应小于切 槽纵向方向的长度， 进而将裂缝预切出。钻杆在运动 时应缓慢进行， 以防止将刀具损坏。钻杆不向前移动 时应原地旋转 1min 左右， 以方便钻具从切缝中移出。 在钻机停止转动且待复位弹簧将刀具撤回后， 将钻杆 从钻孔中取出。 3 ） 封孔。采用专用橡胶封孔器进行封孔， 将其放 入钻孔内指定位置， 当注液压力达到 9～12MPa 时， 使 封头在钻孔中膨胀， 即可实现封孔。 4 ） 注水。水源可使用矿井水， 将水由地面蓄水池 经井下输水管路送到钻孔施工地点， 将水过滤后通过 高压注水泵将其注入顶板中， 在水泵的注水口和出水 口分别安装流量计和压力表， 以对注水量和出水压力 进行监测。 5 ） 监测。 通过监测仪器设备对水力压裂过程进行 实时监测，需重点监测注水压力及孔周边岩体压力 等， 当岩体压力下降至 5MPa 时， 可认为岩体已压裂， 致裂完成。 2.2水压致裂弱化顶板关键参数确定 现场施工效果的好坏受煤岩体物理力学参数、 钻 孔及注水参数等。当工作面长度低于 100m时可单向 布置钻孔， 当工作面长度超过 100m 时可双向布置钻 孔， 同时应考虑钻孔深度、 钻孔角度、 钻孔间距、 封孔 长度、 注水量、 注水压力及注水时间等。 1 ） 水压致裂位置， 通过水压致裂应使上覆厚硬顶 板岩梁的悬露高度减小，使其抗弯截面系数减小、 完 整性遭到破坏，最终减小顶板岩梁的极限垮落步距， 从而缓解厚硬顶板大面积垮落而造成的强矿压现象， 水压致裂位置如图 4 所示。 图 4水压致裂位置 顶板岩梁的弯矩极值 Mmax 和抗弯截面系数分 别为 Mmax qdL 0 2 12 W H 2 c 6 其中 L0 2H 2 c[σ] qd■ d WH- H1 3 [γH-H1γ1h1γnhn] qn0[WH- H1E1h 3 1Enh 3 n] （qn0为坚硬岩层上覆 n 层岩层作用于其的载荷 24 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 3 期总第 150 期 值， 按下式计算 （qn0 EH 3 [γHγ1h1γnhn] EH 3 E1h 3 1Enh 3 n 式中 hi为顶板上覆岩层的厚度； E 和 Ei分别为 坚硬岩层及其上覆各岩层的弹性模量； γ 和 γi分别为 坚硬岩层及其上覆各岩层的容重； L0为顶板极限破断 步距； d 为水压致裂后坚硬岩层及其上位岩层载荷传 递系数； Hc为水压致裂后残余顶板岩层厚度。若要求 水压致裂强制放顶后的顶板极限破断步距 L1是未采 取措施前 L0的的 1/n 倍，则进采用水压致裂措施时 的钻孔深度 H1可由下式计算 L1 1 n L0 则有 2H 2 c[σ] qd■ 1 n 2H 2 [σ] q■ 计算可得 H1 1 n d ■ H H1H- 1 n d ■ H1- 1 n d ■ H 将该工作面相关参数带入计算可得致裂到关键 层垂高为 54m，考虑到现场长距离钻孔施工难度大， 因此致裂的顶板垂高为 30m， 钻孔倾角按 45选取， 最终的钻孔斜长为 43m。 这样致裂的岩层可缓解厚硬 顶板破断变形而导致的失稳现象。 2 ）钻孔间距， 主要由注水孔的湿润半径来确定， 而湿润半径通常与致裂岩层的岩性、 注水量、 注水时 间及注水压力等， 应结合实验与现场综合确定。通常 按 30～40m 选取，在现场试验时，在距离注水钻孔 20m 的观测钻孔发现有液体流出， 由此可知， 当钻孔 间距设计为 40m 时，可确保在水压致裂作用下相邻 两孔可发生贯通， 对坚硬顶板起到致裂破断作用。 3 ）封孔长度， 封孔选用专用橡胶封孔器， 其全长 为 40m， 有效封孔长度为 38m。 4 ）注水压力，致裂水压应大于煤岩体的抗拉极 限强度， 从而达到既能将煤岩体破裂， 同时不会使水 压从裂隙中释放， 根据工作面实际情况， 将致裂水压 力取 56MPa。 5 ）注水量与注水时间，顶板注入高压水量的大 小对施工效果影响很大， 若注水量过小， 则无法有效 弱化顶板， 若注水量过大， 则导致顶板过于破碎， 易引 发冒顶事故。 注水量可通过浸水试验和施工条件综合 确定。在现场施工中， 单孔注水量可按 0.8m3取， 单孔 注水时间约 500s 左右。 2.3水压致裂施工工艺及效果分析 受 8106 工作面回采动压影响， 5106 巷来压明 显， 巷道顶板发生严重的破碎变形， 因此在 5106 巷内 进行定向水压致裂施工，钻孔终孔位置位于 K3 老 顶， 通过对弱化处理使其能够在工作面回采过程中及 时发生垮落， 及时释放顶板压力， 防止强矿压现象发 生。5106 巷与上区段采空区间区段煤柱宽度为 38m， 为缓解采空侧悬顶结构对本工作回采影响， 水压致裂 钻孔施工位置朝向 8105 工作面采空区，钻孔间距按 40m设计， 在地质条件较差的地段可适当增大或减小 孔间距， 钻孔施工如图 5 所示。 图 58106 工作面水压致裂钻孔施工示意图 3施工效果分析 通过对工作面坚硬顶板进行水压致裂施工， 使工 作面上覆顶板断裂位置内移， 围岩高应力由采空侧向 煤体深部转移， 避免了回采巷道在超前支护段外出现 采空侧围岩悬臂结构和本工作回采动压的双重影响， 使回采巷道处于低应力区，矿压显现强度明显降低， 有利于巷道稳定性维护， 减少了巷道二次维修费用。 试验段先施工 7 个钻孔，编号为 HYD- 1～HYD- 7， 在进行水压致裂时， 当某一钻孔致裂时， 其余钻孔 可兼作为效果观测孔，与致裂孔相距最远 90m 处钻 孔可有水溢出， 多数钻孔致裂范围可达到 55m 左右。 对控制箱内注水压力每隔 50s 进行一次采集， 绘制如 图 6 所示的压力与时间的曲线， 以对压力过程进行分 析研究。 图 6水压致裂压力 - 时间曲线 由图 6 可知， 1 号和 3 号钻孔在相对恒定的水 25 ChaoXing （上接第 22 页） 明充填效果越来越好，下沉最大值最终稳定在 9mm， 变化范围可控， 充填控制效果较好。 a 顶底板移近量b 两帮移近量c 顶板离层量 图 6围岩监测曲线 4结论 通过分析不同顶板条件下巷道状态可知， 破碎采 空区下巷道顶板完整性差， 裂隙较发育， 设计采用锚 杆索与高泡水泥充填的综合控制方法进行巷道控制， 现场实践表明巷道顶底板变形量较稳定、 两帮移近量 起伏不明显、 顶板离层量保持在可控范围内， 表明采 用该种支护方案的巷道控制效果好， 能够满足矿井工 作面生产工作要求。 参考文献 [1] 李桂臣. 软弱夹层顶板巷道围岩稳定与安全控制研究 [D]. 中国矿业大学, 2008. 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[8] 张晓鹏, 张盛, 侯宏涛. 回坡底矿近距离煤层回采巷道布 置方式的确定[J]. 煤炭技术, 2015, 34677- 80. 作者简介 陈晓鹏， 男， 1988 年 10 月出生， 汉族， 山西霍州人， 2014 年毕业于太原理工大学采矿工程专业， 本科学历， 助理工程 师， 现任霍州煤电集团汾河焦煤股份有限公司回坡底煤矿技 术员。（收稿日期 2018- 6- 22） 煤矿现代化2019 年第 3 期总第 150 期 压力作用下， 围岩裂隙发生扩展； 4 号、 5 号和 7 号钻 孔内水压力随时间增长出现一定的升降变化，表明 该处煤岩体表现为各向异性和非连续性； 2 号钻孔 内水压力随时间变化持续上升，表明该处煤岩体所 处地应力环境异常或钻孔裂纹扩展反向与煤岩体结 构面垂直所致。 通过水压致裂坚硬老顶后， 8106 工作面初次来 压步距为 51.6m， 支架动载系数为 1.75， 水压致裂前 平均周期来压步距为 18.7m，支架平均动载系数为 1.69；水压致裂后，前三次周期来压步距分别为 16.4m、 16.2m、 17.7m，支架平均动载系数减小到 1.53。表明通过水压致裂可使工作面上覆顶板得到 一定程度的弱化， 周期来压步距和强度都得到减小。 5106 顺槽超前支护段内顶板基本无下沉， 巷道变形 量较小， 支护效果良好， 表明水压致裂可起到切顶卸 压护巷的作用。 4结论 通过矿压观测总结了坚硬顶板矿压显现规律， 并 提出通过水压致裂解决坚硬顶板情况下的强矿压问 题， 在同忻矿 8106 工作面现场工业性试验结果表明， 水压致裂不但使工作面来压步距和强度得到减小， 同 时起到切顶护巷作用， 技术及经济效益明显。 参考文献 [1] 黄炳香,赵兴龙,陈树亮,刘江伟.坚硬顶板水压致裂控制 理论与成套技术[J].岩石力学与工程学报,2017,36 （12） 2954- 2970. [2] 王爱国.同忻矿特厚煤层坚硬顶板水压致裂技术[J].煤矿 安全,2015,46 （03） 54- 57. [3] 刘长友,杨敬轩,于斌,杨培举.多采空区下坚硬厚层破断 顶板群结构的失稳规律 [J]. 煤炭学报,2014,39 （03） 395- 403. 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