综采工作面坚硬顶板初放及端头悬顶水力致裂控制试验_王俊峰.pdf

煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 0引言 我国坚硬顶板煤层约占 1/3， 煤层上方的坚硬难垮 顶板是引发煤与瓦斯突出、冲击地压等灾害的主要因 素之一 [1-2]。山西高平科兴米山煤业有限公司开采的 15 煤层上覆顶板为 6.2m厚石灰岩，由于顶板坚硬、 厚度大、 强度高、 节理裂隙不发育， 造成其综采工作面 初采期间大面积悬顶难以垮落。 而且在正常回采期间， 两侧端头也会形成周期性悬顶，不符合顶板管理的要 求， 同时也易导致采空区瓦斯积聚。人工强制放顶时， 传统的炸药爆破方法成本高、 井下污染大， 危险性高。 并且由于端头处于工作面采动影响范围内，炸药爆破 处理端头悬顶也不符合 煤矿安全规程 的规定。 为有效解决坚硬顶板悬顶问题， 开展了水力致裂 顶板试验。顶板水力致裂可使水压裂缝数量增多， 从 而在顶板中形成水压裂缝网络， 促进原生节理裂隙的 发育， 破坏其整体性， 弱化顶板强度， 从而改善顶板的 冒落[3]。 1工程概况 水力致裂控制坚硬顶板试验在 15112 工作面切 眼和其顺槽超前支护段内进行。 1.1地质概况 15112 综采工作面煤层厚度平均 3m，煤层倾角 3～8， 煤层埋深 126～148m， 工作面长度 145.5m。煤 层顶板为 K2 灰岩、 泥岩， 底板为泥岩、 铝土质泥岩和 砂质泥岩。 1.2生产技术概况 工作面采用 94 架 ZZ6800/19/38 型液压支架进 行支护，支架额定工作阻力 6800kN，额定初撑力 6185kN， 支护强度为 0.8～0.96MPa。工作面端头采用 6 架 ZZG6800/19/38 型过渡支架配合单体柱支护。 15112 切眼设计长度 150m，为矩形断面，净宽为 7.0m， 净高为 3.0m， 方位角 1 度， 采用锚杆、 菱形网、 塑料网、 金属带状锚梁和锚索的联合支护方式支护。 工作面两顺槽在超前工作面煤壁 20m 范围内采 用两排单体液压支柱进行加强支护， 单体柱初撑力不 低于 12MPa。 2水力致裂试验方案设计 2.1切眼顶板水力致裂钻孔布置 因工作面切眼支护强度较大， 上覆顶板岩层坚硬 致密， 为了取得更好的致裂效果， 确保工作面推过后 切眼顶板能够及时垮落， 向切眼四周倾斜一定角度施 工钻孔， 压裂锚固体外的顶板， 能够更好的破坏切眼 上部岩层。 切眼内在前煤壁、距底板 2.5m处沿工作面推进 方向， 仰角 60 度斜向上布置一排钻孔， 钻孔直径直径 综采工作面坚硬顶板初放及端头悬顶水力致裂控制试验 王 俊 峰 （山西高平科兴米山煤业有限公司 ， 山西 高平 048404 ） 摘要 为解决综采工作面坚硬顶板悬顶难垮问题，山西高平科兴米山煤业在 15112 工作面切眼及 顺槽超前支护段进行了水力致裂顶板试验， 通过该试验， 较好地解决了工作面坚硬顶板初放及端头悬 顶问题。 关键词 坚硬顶板 ； 端头悬顶 ； 水力致裂 中图分类号TD32文献标识码 A文章编号 1009-0797 （2019 ） 06-0101-03 Hydraulic Fracture on Hard Roof First Caving of Fully-mechanized Face and Hanging End Roof WANG Junfeng （Mishan Coal Industry Co., Ltd., Gaoping Kexing Group , Gaoping 048404 ） Abstract in order to solve the difficult problem of hard roof suspension of comprehensive mining face, Shanxi gaoping coxing misshan coal industry carried out hydraulic crack roof test in the cutting hole of 15112 working face and the leading support section of straight groove, and passed the test. The problem of hard roof initial placement and end head suspension of the working surface is solved. Key words hard roof ; hanging end roof ; hydraulic fracture 101 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 φ75mm， 施工深度 7m， 孔间距 15m。切眼内在后煤 壁、 距底板 2.5m处沿工作面推进方向的反方向， 向后 实体煤方向，仰角 80布置一排钻孔，钻孔直径 φ75mm， 施工深度 12 m， 钻孔间距 15m 与正帮钻孔 相间布置。在切眼两端头， 分别向回风顺槽及运输顺 槽外帮施工一个仰角 80 度、 孔径 φ75 mm、 孔深 12m 的钻孔。钻孔布置如图 1 所示。 （a ）平面图 （b）A- A 剖面 图 1切眼初次放顶水力致裂钻孔布置 2.2端头悬顶水力致裂控制试验方案 （a ）平面图 （b）剖面图 图 2回风顺槽端头水力致裂钻孔布置 在工作面超前支护段内通过水力致裂预裂顶板， 顶板在水压力作用下产生多条裂缝， 破坏顶板的完整 性， 确保两端头顶板在采空区能够及时垮落， 同时被 压裂的顶板岩体之间仍然能够相互挤压形成一定的 自稳结构。 同时， 在两端头超前支护段加强支护， 以确 保水力致裂后顶板的安全性。 2.2.1顺槽端头水力致裂钻孔布置 在 15112 工作面回风顺槽超前支护段内靠近煤 柱侧，用锚索钻机竖直向上施工一组孔直径 32 mm、 孔深 10 m、 孔间距 8 m 的钻孔； 在 15112 工作面回风 顺槽超前支护段内靠近工作面测， 用锚索钻机竖直向 上施工一组孔直径 32 mm、 孔深 6 m、 孔间距 8 m 的 钻孔； 靠近工作面侧的钻孔和靠近煤柱侧的钻孔交错 布置。 钻孔布置如图 2 所示。 运输顺槽钻孔布置方式 与回风顺槽相同。 2.2.2超前支护加强设计 由于所有钻孔在超前支护段内施工及压裂， 超前 支护段要加强支护。 由于水力致裂控制坚硬顶板的最不利情况是水 压裂缝沿锚索锚固端以上岩层内近似水平扩展， 水力 致裂控制区域的巷道顶板 （含锚杆锚固体） 完全脱离 顶板岩层， 所有岩柱重量完全作用于超前支护段的单 体支柱上。所以为了确保致裂的安全性， 对该种最不 利情况下进行支护强度核算分析。 岩柱的重量 Gabhγ204.58250001.8107N 式中 G 为岩柱的重量； A 为致裂段长度， m； B 为 巷道宽度， m； H 为致裂平均深度， mΓ 为岩柱的平均 容重， 取 25000N/m3 超前支护段的单体柱的支撑力 Fcnp2202501107N 式中 F 为致裂区域的单体柱的支撑力， N； c 为 单排单体支柱数量； n 为单体柱排数； p 为单体柱的 额定工作阻力， kN。 根据以上计算结果， F＜G，即当前超前支护段的 单体柱支撑力不足以支撑上覆 8 m岩柱的全部重量。 因此，在试验时对超前支护致裂段进行补充加强支 护， 加大单体支柱支护密度。 如果水力致裂区域每排打 4 根单体支柱， 每 1 m 打一排。此时单体柱的支撑力 F1 cnp4202502107N＞G。 此时， 加强支护后单体柱支撑力足以支撑 8m 岩柱的 全部重量。 2.3水力致裂应注意的问题 102 ChaoXing （上接第 100 页 ） 3 ）根据瓦斯运移扩散影响，分别把瓦斯浓度变 化范围依次划分为爆炸威胁区、爆炸危险区和完全 区。距涌出源 0～339m有可能会发生瓦斯爆炸， 瓦斯 浓度低于 5， 不会发生瓦斯爆炸事故。 参考文献 [1] 于不凡.煤和瓦斯突出机理[M].北京煤岩工业出版社, 2001. [2] 马丕梁,范启炜.我国煤矿抽放瓦斯现状及展望[J].中国煤 炭,2004 （30） 5- 8. [3] 徐超,辛海会,刘辉辉.我国煤矿瓦斯抽放技术现状及展望 [J].煤矿现代化,2010,13- 4. [4] 邢玉飞,赵煜,苏阳.煤层瓦斯运移的模拟现状分析[J],矿 业论坛,2009706. [5] 焦宇,周心权,段玉龙等.瓦斯爆炸烟流浓度和温度的扩散 规律[J].煤炭学报,2011,36 （2） 293- 297. [6] 沈功田,耿荣生,刘时风.声发射信号的参数分析方法[J]. 无损检测,2002,24 （2） 72- 77. 作者简介 高健 （1988.03-） ， 男， 山西大同人， 太原理工大学在读工 程硕士， 主要从事煤矿开采和瓦斯防治方面的研究。 （收稿日期 2018- 9- 28） 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 1 ） 为保证本次顶板水力致裂的效果， 致裂范围 应尽量避开工作面及顺槽内的断层破碎带、地质钻 孔、 锚索孔等区域。 2 ） 水力致裂前应对采空区和致裂区域附近的断 层进行有效探放水，同时监测致裂期间的瓦斯等有 害气体。 3致裂效果分析 根据上述水力致裂设计方案， 在 15112 工作面切 眼及其顺槽超前支护段现场管路连接和封孔完成后， 开泵进行水力致裂试验。致裂过程中， 时刻观察泵站 压力变化。 3.1顶板来压特征分析 在水力致裂试验完成后，随即对工作面进行推 进。 当工作面推进至 14.6m时， 8～12 和 19～25 支 架处顶板开始垮落； 工作面推进至 21.5m 时， 工作面 各致裂区域顶板大面积垮落； 当工作面推进至 27.3m 时， 工作面后方顶板已基本垮落密实。与相邻未进行 水力致裂的 15113 工作面相比， 15112 工作面初次垮 落步距减少了 23m。另一方面， 工作面两端头在工作 面推进期间也垮落正常， 端头悬顶问题相比相邻工作 面得到明显改善。初采期间， 工作面及顺槽内瓦斯均 未超限。 水力致裂有效解决了切眼及端头顶板大面积 悬顶的问题。 3.2顺槽顶板窥视 （a ）孔口段（b）孔底段 图 3钻孔致裂窥视效果 实施水压致裂后， 利用钻孔窥视仪对顺槽顶板致 裂钻孔孔口段和孔底致裂段分别进行了窥视。 如图 3 所示， 由于孔口段基本未受水压致裂的影响， 其原生 裂隙较为明显。 而孔底试验段产生了多条横向和径向 裂缝， 从而使顺槽顶板的整体性和强度得以降低。表 明水压致裂效果明显。 4结语 1 ） 本次试验根据米山煤业 15112 工作面的实际 情况设计了合理的坚硬顶板水压致裂方案，同时加 强了顺槽内的超前支护，并制定了相应注意事项， 保 证水压致裂安全可靠。 2 ） 水压致裂后的工作面顶板初次垮落步距为 27.3 米， 推进期间端头垮落正常。压裂对解决工作面 初放及端头顶板大面积悬顶难垮问题效果明显。 该水 压致裂方案可在同类地质条件矿井推广并参考使用。 参考文献 [1] 黄炳香,王友壮.顶板钻孔割缝导向水压裂缝扩展的现场 试验[J].煤炭学报,2015,40 （9） 2002- 2008. [2] 靳钟铭,徐林生.煤矿坚硬顶板控制[M].北京煤炭工业出 版社,1994 [3] 黄炳香,程庆迎， 刘长友等.煤岩体水力致裂理论及其工艺 技术框架[J].采矿与安全工程学报,2011,28 （2） 167- 173 作者简介 王俊峰 （1980-） ， 男， 山西高平人， 毕业于太原理工大学 采矿工程专业， 现任山西高平科兴米山煤业有限公司总工程 师， 从事煤矿安全生产管理工作。 （收稿日期 2019- 3- 6） 103 ChaoXing