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.pdf

煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 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， 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 ） 摘要 针对坚硬顶板下特厚煤层综放工作面在初采阶段顶煤、顶板难以自行垮落造成的采空区悬 顶面积大、 漏风严重， 以及悬顶突然大面积垮落带来的冲击力对设备和人员造成危害和初采期顶煤回 收困难等问题， 提出了初采水压预裂弱化顶板的技术方案， 通过理论分析、 数值计算和现场矿压监测 等方法， 对比实施水压预裂和未水压预裂综放工作面初次来压数据， 分析了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。结果表明，深孔水压预裂使 61601 综放面的老顶初次来压步距从 61m缩短为 50m， 增加了煤炭回收率， 改善了特厚煤层综放工作面初采期间的安全生产条件。 关键词 特厚煤层； 综放面； 水压预裂； 初采期 中图分类号 TD355文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 03- 0104- 04 Experimental Study on Weakening Hard Roof by Hydraulic pre-fracturing Technology During Initial Mining of The Fully Mechanized Caving Face in Extra Thick Coal Seam YAO Bo , ZHANG Donghai （Ordos Guoyuan MiningDevelopment Co., Ltd. FullyMechanized MiningArea， , Ordos 017000 ， China） Abstract For the fully mechanized caving face under the hard roof, the top coal and the roof are difficult to fall by themselves in the initial mining stage, and the overhanging area of the goaf is large, the air leakage is serious, and the impact force caused by the sudden large- scale collapse ofthe suspended roofis The equipment and personnel caused the hazard and the difficultyofrecoveryofthe top coal duringthe initial miningperiod, and proposed the technical scheme ofthe initial miningwater pressure pre- crackingweakened roof. Through theoretical analy- sis, numerical calculation and on- site mine pressure monitoring, the hydraulic pre- cracking was compared. The initial pressure data of the unfrozen pre- cracked fully mechanized caving face was analyzed, and the influence of the initial mining water pressure pre- cracking on the timelycollapse ofthe hard roofofthe fullythick coal seam fullymechanized cavingface was analyzed. The results showthat the deep hole hy- draulic pre- crackingshortens the initial pressure step ofthe old roofof61601 fullymechanized cavingface from61mto50m, which increases the coal recoveryrate and improves the safe production conditions duringthe initial miningoffullymechanized caving face in extra- thick coal seam. Keywords Extra thick coal seam; Fullymechanized top coal cavingface ; Hydraulic pre- fracturing; Initial miningperiod 104 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 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 13.7， 循环 进度 0.865m。 表 16 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]。 LSh 2Kσt q■ （1 ） 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 （qn） 1 E1h 3 1 （γ 1h1 γ 2h2γnhn E1h 3 1E2h 3 2Enh 3 n （2 ） 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,h2hn为各岩层的厚 度 m； γ1 ,γ 2γn为各岩层的体积力， kN/m 3。 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 q11 γ 1h1222.49kPa q21 E1h 3 1 γ 1h1 γ 2h2 E1h 3 1E2h 3 2 295.78kPa q31 E1h 3 1 γ 1h1 γ 2h2 γ 3h3 E1h 3 1E2h 3 2E3h 3 3 206.51kPa 由于q31＜q21， 取 qq31并以q31作为老顶的 载荷， 可得 61601 综放面老顶断裂的极限跨距为 LSh 2Kσt q■ 61m 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 H≥h1h2h3h438.3m 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 ） 。 a b 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 岩石名称厚度/m 密度 /g cm-3 抗压强度 /MPa 抗拉强度 /MPa 弹性模量 /MPa 粗砂岩13.372.3622.84.202320 泥岩2.12.4415.12.202550 粗砂岩12.502.3622.84.202320 泥岩2.802.4415.12.202550 砂质泥岩4.852.4726.03.252700 粗砂岩9.622.3622.84.202320 6 上号煤2.95 1.426.790.561628 泥岩5.402.4415.12.202550 6 号煤 23.831.426.790.561628 泥岩7.402.4415.12.202550 105 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 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 （a ）平面图 （b）Ⅰ- Ⅰ剖面图（c ）Ⅱ- Ⅱ剖面图 图 261601 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- IDOIC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。 （a ）预裂后钻孔内顶煤（b）预裂后钻孔内直接顶 （c ）预裂后钻孔内老顶 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 钻孔编号钻孔名称钻孔数量/个钻孔深度/m钻孔角度/ 1-32 号正帮侧 325050 33-44 号切眼顶板 125050 45-57 号切眼煤孔 132650 106 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 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。 参考文献 ［1］ BANERJEE G， RAY A K， SINGH G S P， et al. 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