水压致裂与密集卸压孔联合弱化坚硬顶板技术
韩立权 杨耀霞 李志云 翁旭泽 徐 亮
一、立项原因及背景
我矿12#层406盘区8637工作面,顶板较厚岩石层强度大、较为坚硬，整体性好，短期内难以自然垮落，为防止该工作面在回采过程中顶板不垮落，悬顶超过作业规程规定，破坏煤柱，给安全生产造成隐患,工作面开采期间需对超前顶板进行预裂，保证工作面坚硬顶板的垮落质量,结合传统的爆破预裂顶板经验得知，裂缝不够完整贯通，裂缝结合面也不够平整，顶板后期垮落阻力大，因此我矿选择综合运用水压致裂与密集卸压孔技术进行超前预裂顶板。
在8637工作面切巷施工水压致裂钻孔，2637巷和5637巷同时施工水压致裂钻孔与密集卸压孔并对钻孔进行水压致裂。
二、成果内容
1、工作面及顶板概况：
12＃层406盘区工作面8637工作面，走向长702.8m，切巷长度90.9m。可采储量为635012.1t，煤层以亮煤为主，次为暗煤，内生节理发育，厚度为6.70-7.5 m，平均厚度7.1m。直接顶为灰白色中粗砂岩互层，成份以石英为主，次为长石，有少量暗色矿物，钙质孔隙式胶结，分选中等，磨圆度为次圆状，有煤屑，斜层理。中砂岩,灰白色，以石英为主，长石次之，胶结致密，含少量黄铁矿结核，厚度为28.63-34.65m，平均厚度约为30.92m；煤平均厚度约为7.1m。
8637工作面位置如下图所示。
2、工作面顶板预裂方案
两巷端头顶板处理采用以水压整体预裂为主，密集孔局部卸压为辅的方案。水压致裂技术原理是指在岩层壁上通过钻一定数量的孔，注入高压水，岩层内部受到来自高压水内压力而逐渐发生开裂的过程,主要是利用高压水力破坏顶板的整体性，使工作面顶板分层垮落；顶板横向分层垮落的同时，由于重力作用，密集卸压孔在局部范围使顶板发生纵向断裂，且裂缝能够很好地沿着密集卸压孔排列方向延伸，裂缝完整贯通，裂缝结合面平整，切断工作面顶板应力传递，能避免出现悬空顶板面积越来越大会在其自重及上覆岩层载荷的作用下，突然折断、垮落而出现顶板大面积冒落。根据上述思路，采取了以下方案。
(1)、工作面切巷水压致裂钻孔施工方案及参数
在12#层8637工作面切巷回采煤体侧距2637巷8米，距顶板0.5米处开孔。共计施工6个钻孔，钻孔的方位为5°，仰角为60°，单孔深度为18米，孔间距为15米。（布置示意图及断面图如下图所示）
(2)、2637巷和5637巷水压致裂钻孔、密集卸压孔施工方案及参数
2637、5637巷分别施工两种水压致裂孔：
a、开孔位置距工作面切巷5米，煤柱帮1米顶板处向采空区方向开孔，钻孔平行于巷道，钻孔的仰角为31°，单孔深度为12米，钻孔间距均为5米。
b、开孔位置距工作面切巷5米，巷中顶板处向采空区方向开孔，钻孔平行于巷道，钻孔的仰角为48°，单孔深度为13米，孔底开槽,钻孔间距均为5米。
两巷钻孔施工超前工作面100米进行，到停采线处停止施工。
2637、5637巷分别施工两种密集卸压孔：
a、从工作面开始，距煤柱帮0.75米处，垂直顶板施工一排密集卸压孔，孔深6m，间距0.2m。
b、开孔位置距工作面切巷5米开始，间隔5m垂直巷道方向施工一排密集卸压孔，孔深8m，间距0.2m。
两巷钻孔施工超前工作面30米进行，到停采线处停止施工。
（布置示意图及断面图如下图所示）
水压致裂孔与密集卸压孔顺槽剖面图
（3）、8637工作面顶板水压致裂施工方案
采用水压压裂切顶卸压控顶技术，通过对坚硬顶板水压压裂和注水软化，削弱上覆岩层储存的高应力，破坏直接顶完整性，使其充分提前垮落，达到弱化矿压显现的目的，保证回采安全。
a、8637切巷顶板水压致裂方案
在工作面未开采前预先对切巷的6个孔分别采取单孔水压致裂弱化顶板，减小初采期间顶煤垮落距离，使初采时顶板及时跨落，致裂过程中密切注意顶板变化，若有异常，立即停止作业，采取人员撤离，支设加强支柱或其它顶板防护措施。
b、2637巷与5637巷顶板水压致裂方案
在工作面未开采前，施工密集卸压孔之后,对两巷30米范围内的钻孔进行水压致裂，每次致裂时先致裂巷中顶板钻孔，再致裂巷帮顶板钻孔，之后工作面每推进30米，两巷分别各致裂12个钻孔，随采随致裂。
由于煤岩层是不断变化的，因此水压致裂孔的参数应按照采空区的塌落实际情况及时调整。
3、钻孔水压致裂注水设备、材料及注水工艺
（1）、高压注水采用BZW220/63高压柱塞泵和3BZ6.7/63-200高压柱塞泵，两台泵额定工作压力63Mpa,分别布置在2637巷和5637巷。注水管路采用DN19高压注水管200米，最大承受压力70Mpa；φ39封孔器，长度为2m；φ39安装杆，长度1m。安装杆与封孔器可以重复利用。
（2）、在施工好的钻孔内放入胶囊式封孔器以及注水钢管。把胶囊式封孔器按照设计方案安装在孔底。
（3）、从巷道内已有的给水管路三通接出水源到注水泵站的水箱，把水箱灌满，把注水泵的进水管与水箱的出水管连接，把注水泵的高压出水管管口与注水高压胶管连接，把所有的高压注水胶管连接在一起到达注水孔处与事先插入孔内的注水钢管连接并连接牢固。
（4）、预裂试验： 泵前连接三通，三通一边接进工作面的液管，另一边接20m高压液管，液管之间用两通专用接头连接，并将液管固定在电缆槽，每2米用铅丝固定一次，保证工作面所有管路固定牢后方可施工。在三通处泵前接一个卸压球阀，泵上接一个带读数压力表，当压力调控到20-30MPA时，观察工作面液管和管接头是否有泄漏，如果有马上缓慢开启球阀卸载压力至零位，再对管路进行检查修复。
（5）、检查完管路与本站满足工作条件，同时在注水孔附近、管路、本站处的安全警戒设置好后，启动注水泵，通过高压注水胶管给钻孔内送入高压水，保持15分钟，当预裂孔内压力从峰值泄压到15MPA时，可以操作球阀缓慢泄压至零位，完成一个注水循环。
（6）、关闭注水泵，待孔内和管路的水压泄压后，确保安全的前提下，退出封孔器及注水钢管。
（7）、再行下一个钻孔注水致裂。
4、防止反冲计算
防反冲力应大于压裂过程中产生的最大反冲力。最大反冲力按下式计算
Fmax=0.25πD2p×10-3+F
式中: Fmax—最大反冲力，kN
D—钻孔直径，mm 50mm
P—压裂泵额定注水压力，MPa 63MPa
F—孔内封孔器重力沿钻孔轴方向的分力，kN：仰孔时正值，俯孔时F为负值
钻孔内胶囊式封孔器以及注水钢管经计算F取0.3kN
Fmax=0.25×3.14×502×63×10-3+0.3
=124KN
防止反冲措施：孔口安装杆用型号为15D-6*37+1钢丝绳固定，该钢丝绳的抗拉力为132KN，大于压裂过程中产生的最大反冲力。
5、巷道内密集卸压孔及水压致裂孔照片
（1）、平行巷道密集卸压孔照片
（2）、垂直巷道密集卸压孔照片
（3）、水压致裂孔照片
6、现场效果分析
在8637工作面顶板实施水压致裂措施后，通过现场观测，在钻孔打水压的工作面顶板区域有明显的内部岩层断裂破碎的断续声响发出，并且在密集卸压孔内有明显的出水现象。在两巷的端头支架处看向采空区时，可以看到顶板岩层沿着密集卸压孔方向有明显的断裂痕迹。因此，可以断定在对顶板进行钻孔高压注水后，可以有效破坏工作面顶板的完整性。当水力致裂结束以后，通过窥视仪对顶板钻孔内部岩石进行观察，发现孔内岩石产生了大量纵横交错的裂纹，充分说明水压致裂技术的实施大大降低了顶板岩层内部的强度，破坏了顶板岩层的完整性和稳定性，随着回采的继续，裂隙会扩大直至岩层整体发生破坏，保障顶板的及时垮落。
三、创新点
工作面采用以弱化顶板、切顶卸压为主体的方式，密集卸压孔通过水压致裂顶板进行切缝，在局部范围切断工作面顶板应力传递，减弱巷道顶板压力，且密集卸压孔切缝能够很好地使巷道顶板与煤柱顶板分离，避免采空区形成悬板三角区。利用煤柱发挥自身承载作用进行补强加固，控制煤柱顶板下沉，保证悬顶垮落效果。
四、社会经济效益
社会效益：
为联合弱化坚硬顶板技术的推广，提供了可靠依据，积累了经验。相比爆破放顶方法，联合弱化顶板技术在安全性与经济效益方面均具有突出的优势。8637工作面弱化顶板成功实施后，保证了回采安全，改善了工作面两巷道围岩恶劣的应力环境，减小了巷道围岩的变形，减小了冒顶、片帮等矿压事故的发生，为矿井安全高效生产提供了保障。
经济效益：
联合弱化坚硬顶板技术的应用前首先大大减少了爆破材料投入费用，节省大量人力物力，按来压步距10米，每组10个放顶孔计算，共需要炸药16.4吨，雷管1360发，导爆索230盘，共节约爆破材料费用16.2万元。此外联合弱化坚硬顶板切顶质量有保障，有效避免坚硬岩性下顶板水压致裂不完整不充分导致需要顶板二次致裂卸压。此外切顶质量有保障，有效的避免了巷道的二次维修，按人工费每天每人300元计算，共计14人，工期85天，节约人工费35.7万元，巷道维修费用，按每米1000元计算，共计700m，节省费用70万元，总共创造效益121.9万元。
五、技术总体应用水平和推广前景
根据8637工作面水力压裂与密集卸压孔弱化顶板技术的实施情况和顶板垮落情况，可以看出弱化技术的实施可以有效地释放工作面坚硬顶板的巨大内应力，破坏顶板的完整性，最终可以控制顶板分层分次的及时垮落，避免出现大面积冒落的危害性事故，保证煤矿的安全生产。为以后坚硬顶板工作面开采积累了宝贵的实践经验，有较好的实用价值，在我矿404盘区8411工作面、410盘区81008工作面跨盘区、跨工作面应用此技术，经济效益明显，技术总体水平较高，有很好的推广前景。
作者：晋能控股煤业集团云岗矿 韩立权
