张家峁煤矿水压致裂初次放顶机理和效果分析研究.pdf

煤炭工程 COAL ENGINEERING Vo l. 52, No . 6第52卷第6期 doi 10. 11799/c e202006020 张家節煤矿水压致裂初次放顶机理和效果分析研究 李正虎，张军辉2,陈辉2,谭帅杰2,温晨2,孙晓龙2,陈浩2 1.陕煤集团神木张家昴矿业有限公司，陕西神木719300； 2.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆乌鲁木齐830047 摘 要针对张家蹄煤矿15209工作面开切眼推进过程中顶板初次垮落困难的问题，通过现场 实测、理论分析、三维布孔模型，并结合5-2煤层顶板节理裂隙不发育，工作面煤层不稳定、夹歼 多的具体情况，在保证煤壁和两巷顶帮稳定性的同时确定顶板水压致裂方案。为此，采取三维空间 优化布孔方式，进行顶板水压致裂并贯通各钻孔之间裂隙进而破碎顶板。根据工作面顶板压力在线 监测和煤壁、两帮变形等现场实测数据分析，方案应用效果良好。 关键词初次垮落；水压致裂；裂隙贯通 中图分类号TD322.5 文献标识码A 文章编号1671-0959202006-0091-05 Mechanism and effect of initial top coal caving with hydraulic fracturing in Zhangjiamao Coal Mine LI Zh eng-h u1 , ZHANG Jun-h ui2, CHEN Hui2, TAN Sh uai-jie2, WEN Ch en2, SUN Xiao-long2, CHEN Hao2 1. Zh angjiamao Mining Company, Sh anx i Coal Ch emic al Gr oup, Sh enmu 719300, Ch ina； 2. College of Geology and Mining Engineer ing, Xinjiang Univer sity, Ur umqi 830047 , Ch ina Abstract Aiming at th e d iffic ulty of initial top c oal c aving d ur ing open off c ut ad vanc ing of 15209 wor king fac e in Zh angjiamao Coal Mine, field measur ement, th eor etic al analysis and th r ee d imensional h ole mod el analysis ar e c ar r ied out, c ombining with th e fac t th at th e joints and c r ac ks in th e r oof of th e 5-2 c oal seam ar e not d eveloped, th e c oal seam on th e wor king fac e is unstable and sand wic h ed with gangue, th e r oof h yd r ofr ac tur ing sc h eme is d eter mined to ensur e th e stability of c oal wall and wor king fac e r oad ways r oof and r ib. Th e optimized 3D spac e bor eh ole layout is used for th e r oof h yd r ofr ac tur ing wh ic h c onnec ts th e c r ac ks between bor eh oles. Ac c or d ing to th e on-line monitor ing of wor king fac e r oof pr essur e, and th e c oal wall and r ib d efor mation, favor able effec t h as been ac h ieved . Keywords initial c aving； h yd r ofr ac tur ing； c r ac k c onnec tion 综采工作面初采过程中，上方顶板坚硬且厚度 大、裂隙不发育，-般采用全部垮落法处理采空区 顶板，绝大多数工作面采空区顶板无法随工作面回 采及时垮落，初次来压步距增大，当工作面推进至 顶板承载极限时，顶板发生断裂垮落，因悬顶面积 巨大而产生的瞬间冲力及飓风引起明显动载现象， 极有可能造成工作面人员伤亡及设备损坏，引发安 全事故，严重威胁正常生产。回采过程中坚硬顶板 的垮落控制一直是矿山生产需要迫切解决的难点和 重点问题［叫 常规坚硬顶板处理方法一般采用超前丁-作面深 孔预裂爆破方法，预裂爆破能量较大，爆破效果明 显，但也存在明显的技术缺点⑷①成本髙，单孔 炸药用量几十千克甚至上百千克，长期循环作业成 本高；②作业风险大，爆破瞬间能量巨大，易对爆 破区围岩造成震动破坏，造成c o局部积聚和有毒 有害气体超限；③对于围岩破坏性强，爆破过程中 能量会对围岩造成不利破坏，造成工作面煤体失稳 和巷道顶板破碎，后续回采时顶板管理难度大；④ 由于爆破作用的能量释放特性及采空区瓦斯积聚的 收稿日期2019-12-20 作者简介李正虎1986,男，甘肃庆阳人，工程硕士，工程师，主要从事煤矿生产工作，E-mail lzh 622822126.c om。 引用格式李正虎，张军辉，陈辉，等.张家昴煤矿水压致裂初次放顶机理和效果分析研究［J］.煤炭工程，2020, 52 6 91-95. 91 生产技术煤炭工程2020年第6期 危险性，采空区已悬顶部分没有很好的处理措施， 只能等待其自由垮落，存在安全隐患；⑤不适应于 高瓦斯矿井的顶板处理。相比之下顶板水力压裂技 术具有其技术优点技术稳定、成熟，工艺安全, 经济可靠，尤其在高瓦斯矿井或高瓦斯区域（采空区 悬顶位置）使用安全系数高，对围岩震动破坏小，致 裂效果良好。 运用水压致裂技术在张家弗煤矿进行井下试验, 现场应用效果良好，为该技术的推广应用提供了 依据。 1工程地质条件 张家節煤矿15209工作面为两进风巷一冋风巷设 计，工作面回采长度为1915. 03m,切眼长度 296.95m,回采面积为568668. 15m2,设计开采5-2煤 层。工作面煤层整体向西北倾斜，倾角0.8。左右，工 作面中部有小型起伏，工作面煤层底板标高1107. 58 -1122.7m, 丁作面对应地表黄土丘陵沟壑区，地面 标高为11451270m,覆盖层厚度为18.3155.4m。 15209工作面范围内的5-2煤赋存较稳定，煤层 呈黑色，块状，煤岩类型为半暗型，断口参差状。埋 藏深度为18. 3 155. 4m,煤层的平均厚度为6. 10m （煤层间含夹肝），煤层具有复合结构，含3层夹肝, 岩性均为泥岩，第一层夹肝位于煤层的上部，分布连 续，距离煤层顶板1.7m,夹肝厚度为0.02 - 0.05m； 第二层夹肝位于煤层的中部，分布连续，夹肝厚度为 0.02-0.05m；第三层夹肝位于煤层的中下部，工作 面均有分布，距离煤层底板1.25m左右，厚度为0.05 0. 25m0综合分析煤层结构散、裂隙多，煤壁在回 采过程中受压显现明显，可以表征水压致裂技术在顶 板内形成裂隙发育区的状态和效果。 煤层顶板岩层结构致密，裂隙不发育，工作面 5-2煤层无伪顶，工作面直接顶为深灰色的泥岩， 块状，含植物化石，具水平状层理，泥质胶结，厚 度1.9mo工作面基本顶为灰色粉砂岩，厚层状，中 部夹薄层细粒砂岩，含黑色矿物，泥质胶结，具微 波状及水平层理，厚25.82m。顶板岩层饱和抗压强 度为11 -48. 52MPa,平均抗压强度29. 88MPa,属 不稳定较稳定型（I D ）顶板。工作面煤层及顶 底板的煤岩柱状如图1所示。 2工作面顶板初次垮落机理分析 自工作面回采开始，工作面后方顶板悬露面积 图1 5-2煤层综合地质柱状图 柱状 层厚 /m 岩石 名称 岩性描述 \ ■ / / 1.0044煤 黑色，块状，以暗煤为主，亮煤次之，具沥青光泽， 垂直节理发育.裂隙被方解石充填 5.63 泥岩深灰色.团块状，含植物根部化石及炭屑 1.27 细粒 砂岩 浅灰色，夹黑色条带.成份以长石、石英为主.泥 钙质肪结.分冼好 0.68 泥岩深灰色.块状.具水平及微波状层理，含植物化石 25.82 粉砂岩 浅灰色.厚层状，具水平及微波状层理.含炭屑， 夹细粒砂岩及泥岩薄层 1.90 泥岩深灰色，块状，含植物化石，具水平及微波状层理 6.105-2煤 黑色.块状，以暗煤为主，亮煤次之，垂直节理裂 隙发育.被方解石充填.并含大量黄铁矿碎片 1」0 粉砂岩灰褐色，块状.含植物化石及炭屑，夹黑色条带 0.30 0.10 0.50 5-3煤 黑色，块状，半暗型.弱沥青光泽，参差状断口， 中细条带状结构,水平层理。结构0.30（0.10）0.50； ； 夹肝为灰色泥岩，含植物化石 14.30 灰白色，中厚层状.成份以长石、石英为主，含 大量炭屑及黑色矿物，夹黑色条带，泥钙质胶结. 分选好 随回釆进程不断扩大，伪顶或直接顶局部垮落充填 部分采空区，基本顶或老顶结构性完好，呈整体结 构横跨在两回采巷道煤壁、切眼处煤壁和工作面前 方煤壁及支架上，形成四边固支板梁构件体。当板 梁跨度随工作面推进增大到顶板承载极限时，顶板 由于自重及上覆岩层的作用而发生垮落。采空区顶 板初次垮落可能导致工作面顶板下沉量和下沉速度 急增，顶板破碎，甚至出现与煤壁平行的裂隙，有 时发生巨大的断裂声，支架受力急剧增大，采空区 局部冒顶，煤壁严重片帮。初次来压时，工作面要 采取安全措施，女口沿放顶线加强支护（加强支护密 度、增加锚杆索支护、注意人员、设备避让），强制 放顶等。工作面顶板初次垮落情况如图2所示。 依据15209 T作面推进过程中的实际情况，由 坚硬顶板岩层破断规律⑶可知，基本顶厚度较大, 在采空区悬顶过程中，相当于四边固支条件下的板 梁结构体，如图3所示，如图中工作面推进方向， 在倾向上的顶板中间区域最先超过极限弯矩而发育 成裂隙⑸，即图中矩形框选部分为最先产生裂隙区 92 2020年第6期煤炭工程生产技术 域，即开切眼位置顶板预先产生裂隙，所以缩短初 次垮落步距的重要因素是切眼部位的顶板岩层的破 碎程度，切眼处顶板的致裂钻孔施工及其水力压裂 质量对工作面顶板初次垮落具有直接影响，对于维 护工作面安全生产具有极为重要的意义。 图3釆空区顶板四边固支破坏示意图 结合矿山实际地质条件及相邻工作面施工结果 反馈，在此基础上对水压致裂钻孔的施工技术、致 裂效果和监测方案进行优化、改进，以期得到更好 的放顶效果。 3现场施工及技术方案验证 水力压裂是利用特定的施工技术破裂顶板岩层, 释放顶板压力，减轻顶板来压强度⑷。根据工作面 切眼布置和后期回采方向，需在切眼横截面处沿走 向方向布置全断面水力压裂孔，通过水压致裂，生 成钻孔压裂扩散区域并贯通各钻孔之间产生的裂隙, 破坏切眼处顶板岩层的整体结构性，尽量扩大图3 矩形区域标示处的裂隙范围，随工作面生产推进, 形成固支结构的整体裂隙贯通，实现初次来压时的 顶板破断，顶板初次垮落应尽早发生，垮落步距越 小越好。 试验地点为张家甜煤矿15209工作面回采巷道, 主要目的是强制放顶，验证顶板水力压裂方案可行 性。在切眼空间内布置致裂钻孔A和致裂钻孔B, 钻孔A（A1A17）、B（B1B16）水平投影与工作面 回采方向一致，交替布置，在两回采巷道内分别布 置压裂钻孔A（A18A21共4个），A19、A21与巷 道轴向夹角为30。，A18、A20垂直煤壁布置，在两 回采巷道内分别布置压裂钻孔D（D1-D2,共2 个），钻孔D与巷道轴向的夹角为30。，在两回采巷 道内分别布置反向压裂钻孔E（E1-E2,共2个）， 反向压裂钻孔F（F1F2,共2个），钻孔E、F与巷 道轴向的夹角为5。；钻孔A开口位置距离底板 4. 0m,钻孔B开口位置距离底板3. Om,钻孔D、E 开口位置距离底板2. 8m处；钻孔总计43个，进尺 总计777m（21 个 A 孔）608m（ 16 个 B 孔）88m（2 个 D 孔）88m（2 个 E 孔）88m（2 个 F 孔）1649m； 施工过程中首先进行钻孔A、B、E及F的压裂施 工，钻孔D是在工作面回采过程中，顶板垮落困难 时的备用压裂钻孔。具体施工钻孔参数见表1。 表1水压致裂孔施工参数 钻孔钻孔钻孔钻孔钻孔数量 名称长度/m倾角/（。）转角/（。）/编号 A374521/A1-A21 B383016/B1-B16 D4420302/D1-D2 E442052/E1-E2 F442052/F1-F2 在工作面上方岩层中布设钻孔，在孔内设计压 裂位置横向切割岩体，对切槽部位进行封孔，利用 高压水注入方式进行压裂根据水力压裂理论、 最大拉应力准则及15209工作面切眼顶板岩层特性 及开采高度，确定压裂钻孔空间布置如图4所示, 钻孔采用56mm钻头，42mm钻杆钻进，在三维空间 内形成钻孔压裂半径的整体贯通。各类型钻孔剖面 设计如图5所示。 图4钻孔布置三维示意图 根据固支结构破坏原理可知，沿倾斜方向切眼 上方岩体中部最先产生裂隙并垮落，所以在工作面 中部顶板中按常规方式布孔即可，钻孔投影垂直煤 壁走向，A、B类型钻孔交替布置在围岩的不同标 高处。 工作面端头顶板垮落难度大，采用加密布孔 （DEF钻孔）方式，通过钻孔三维数据验算和钻孔位 置立体图摆放检验，形成钻孔群，如图4所示，从 空间上对顶板岩体进行交叉破碎，相邻钻孔裂隙半 径贯通，切断工作面上方顶板与四周围岩的联系⑻， 工作面回采至顶板承载极限时，顶板发生初次垮落, 且由于煤层强度普遍较低，水压致裂之技术相比爆 破施工对煤体造成的震动破坏小，有利于回采工作 面稳定⑼。 93 生产技术煤炭工程2020年第6期 A孔 图5各类型钻孔剖面设计 4实验数据分析及方案实施效果 施工过程中主要通过以下手段验证压裂效果 通过观测压裂孔附近已施工钻孔出水情况。如周围 孔有渗水现象，可大概确定裂隙产生范围。根据顶 帮现场观测效果可知，致裂区顶板周围有明显渗水 现象，说明顶板岩层内已产生裂隙，岩体完整性已 被破坏；顶板及巷道两帮未见明显变形，说明围岩 压力释放充分，水力致裂效果较好。 通过煤壁片帮程度、支架压力在线监测和巷道 围岩位移等矿压监测数据，评价水力压裂技术破碎 顶板的效果。 水压致裂前后煤壁片冒块度及次数曲线如图6 所示，由图6可知，水压致裂后，工作面顶板及煤 壁压力得到充分释放，片帮的块度和次数有明显下 降幅度，达到了安全生产的预期目的。 2020 8 6 4 2 0 8 6 4 2 0 8 6 4 2 0 8 6 4 2 0 图6水压致裂前后煤壁片冒块度及次数曲线 为监测水压裂缝扩展范围，首先选择在护孔注 水致裂，周围其他孔作为观测孔，记录压裂过程中 顶板裂隙渗水情况。然后依次压裂其余各孔，压裂 过程中，控制箱会自动采集记录压力、流量和时间 等数据。水力致裂施工过程主要涉及以下要素 1） 压裂压力根据弹性理论，张家用顶板条件 及15207综采工作面初采初放水力压裂经验，估算 15209工作面压裂压力为ll23MPa。 2） 压裂次数根据工作面上方岩层的结构和厚 度确定致裂次数，从钻孔底部依次向孔口压裂，压裂 间隔5m左右，具体根据钻孔窥视结果和顶板裂隙渗 水情况而定，压裂最终位置为煤层顶板上方5m处。 3） 压裂时间根据周围钻孔出水情况及压裂曲 线确定，当压裂压力显著降低或出水量突然增大时 （约为80L/min）,停止压裂作业，单次压裂平均时 间为 2030mino 当工作面顶板出现较难垮落的情况时，对备用 D孔实施水力压裂，进一步破坏端头上方岩层，解 除端头区域围岩对工作面上方顶板的约束作用。 94 工作面来压期间压力显现如图7所示，根据图7 工作面顶板压力在线监测广分站（端头位置）曲线可 看出来压期间工作面支架压力表现平稳，工作面初 次来压持续8h ,最大来压强度达47MPa,其余阶段 来压平稳，说明工作面顶板整体缓慢下沉，采空区 顶板垮落充分且充填较好。 15209工作面支架压力在线监测结果如图8所 示，由图8可知，老顶初次来压期间支架立柱安全 阀共开启8台，开启率4.5,动载系数1.6,满足 安全生产需要。 50 F--------------------------------------“47MPa Bdw/ -R 出铢叔 10 500 1000 1200 1400 1600 1800 来压时间 2017-04-14 图7工作面来压期间压力显现 2020年第6期煤炭工程生产技术 6060 o O o O 5 4 5 4 30 20 10 30 20 10 0 i CNmm 寸 寸 5992-86600- ZCMEE 寸 SS99 支架架号 iiiiiiiiiii- 图8 15209工作面支架压力在线监测图 工作面顶板下沉速率变化图及两帮收敛速率变 化如图9、图10所示，由图8、图9可知，水压致 裂后，顶板平均下沉速率趋近平稳。两帮收敛速率 趋近平稳。顶板最大沉降量为15.70mm,最大沉降 速率为6. 51 mm/d ；两帮最大相对收敛量为 22.41mm,最大收敛速率为6. 52mm/d,达到释放压 力、稳定顶板的预期效果。 r P . E E M M 豊 - 舉吕 图9工作面回风巷断面顶板下沉速率变化曲线 一 P E E M M 眾宝库 E 图10工作面回风巷断面两帮收敛速率变化图 5结论 1 张家甜煤矿15209工作面顶板裂隙发育不完 全，顶板较难垮落将对煤壁、巷道顶帮及工作面安 全造成严重影响，必须有针对性的进行强制放顶。 2 采空区顶板在回采过程中分阶段缓慢垮落, 未出现压力高峰冲击，在机头推采至68m,机尾推 采至61m时，老顶初次垮落完成，工作面煤壁、巷 道顶帮破坏轻微，无明显压力显现，表征水力压裂 效果良好。 3 老顶初次来压期间支架立柱安全阀开启压力 47. 75MPa,开启率4.58台，动载系数1.6,满 足安全生产需要。钻孔布置间隔7m,放顶效果良 好，后期可以适当放大排距，缩短致裂作业时间, 提高生产效率。 4 通过分析煤层、顶板特性，利用三维钻孔布 设优化对顶板进行水压致裂，释放顶板压力，缓和 顶板初次垮落时的来压显现，对工作面压力进行全 过程监测、分析和预测，加强采面顶板管理，保证 生产顺利进行。 参考文献 [1] 闫少宏，宁 宇，康立军，等.用水力压裂处理坚硬顶板的 机理及实验研究[J].煤炭学报，20001 34-37. [2] 陈炎光，钱鸣高.中国煤矿采场围岩控制[M].徐州中 国矿业大学出版社，1994. [3] 钱鸣高，朱德仁，王作棠.老顶岩层断裂型式及对工作面来 压的影响[J].中国矿业学院学报，19862 12-21. [4] 孙志勇，冯彦军，郭相平.凤凰山煤矿坚硬顶板定向水力压 裂技术应用研究[J].中国矿业，2014 , 23 11 108-110. [5] 刘嗣俊.近距离煤层群下保护层开采瓦斯运移规律及抽采研 究[D].湘潭湖南科技大学，2013. [6] 冯彦军，康红普.定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板试验 [J].岩石力学与工程学报，2012, 316； 1148-1155. [7] 黄炳香，赵兴龙，陈树亮，等.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. [8] 段宏飞，杨强.水力压裂控制坚硬顶板室内试验及现场测 试[J].煤矿安全，2019 , 507 26-30. 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