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摘要:為避免西馮街煤礦3402工作面老頂初次來(lái)壓威脅工作面的安全生產(chǎn)，理論分析計(jì)算確定工作面為IVb級(jí)頂板，老頂初次來(lái)壓礦壓顯現(xiàn)將非常強(qiáng)烈，設(shè)計(jì)采用水力壓裂初采放頂技術(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的條件確定具體的壓裂鉆孔布置參數(shù)，并在壓裂方案實(shí)施后進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明:3402工作面初次來(lái)壓步距46．6m，老頂分級(jí)降為III級(jí)，有效減少了礦壓顯現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了初采期間的安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞:老頂;初次來(lái)壓;礦壓監(jiān)測(cè);水力壓裂

1工程概況

西馮街煤業(yè)3402綜放工作面位于礦區(qū)北部區(qū)域，回采區(qū)域地表位于引渠村以東660～810m，地面標(biāo)高+595～+676．4m，煤層埋深122～206m，采動(dòng)區(qū)域內(nèi)，地表為山地，無(wú)河流，地勢(shì)呈南高北低，開(kāi)采范圍及其四周120m范圍內(nèi)無(wú)任何建筑物。3402綜放工作面井下位于四盤(pán)區(qū)膠帶巷左翼160～310m處，東部為3403采空區(qū)，南部為四盤(pán)區(qū)回風(fēng)巷、四盤(pán)區(qū)膠帶巷、四盤(pán)區(qū)軌道巷;西部為3401采空區(qū);北部為礦界保安煤柱。工作面所開(kāi)采3號(hào)煤層屬二疊系下統(tǒng)山西組，煤層厚度平均2．95m，煤層傾角1～5°，煤層厚度比較穩(wěn)定，煤硬度為f=3～4，工作面采高3．0m，采用走向長(zhǎng)壁，綜合機(jī)械化放頂煤采煤方法，全部垮落法管理頂板，頂?shù)装鍘r性特征如表1所示。3402工作面老頂硬度大、厚度大，自行垮落困難，威脅礦井的安全高效生產(chǎn)。

23402工作面老頂分級(jí)等級(jí)

結(jié)合西馮街煤礦3號(hào)煤層以往采煤工作面的礦壓現(xiàn)象規(guī)律，3402工作面上方均厚16．5m長(zhǎng)石砂巖為老頂，為關(guān)鍵層，該巖層是否垮落對(duì)于回采工作面及巷道內(nèi)的礦壓現(xiàn)象特征具有顯著影響，老頂初次垮落引起工作面老頂初次來(lái)壓，老頂初次來(lái)壓當(dāng)量Pe可作為判別老頂來(lái)壓強(qiáng)度的依據(jù)，其計(jì)算公式為［1］:Pe=241．3lnLf－15．5N+52．6h2(1)式中:Pe為老頂初次來(lái)壓當(dāng)量，kPa;Lf為老頂初次垮落時(shí)工作面推進(jìn)距離，m;N為采空區(qū)直接充填系數(shù)，h1/h2，h1為直接頂及偽頂厚度，m;h2為采高，m．西馮街煤礦3號(hào)煤層與3402工作面類(lèi)似地質(zhì)條件和開(kāi)采技術(shù)條件工作面初次來(lái)壓步距為80m43實(shí)用技術(shù)總第283期左右，3402工作面直接頂和偽頂厚度1．5m，工作面采高為3．0m，h1=1．5m，hm=3．0m，由公式(1)計(jì)算可得3402工作面老頂初次來(lái)壓當(dāng)量為1207．43，參閱相關(guān)研究成果［1］，老頂初次來(lái)壓等級(jí)為IVb等級(jí)，老頂來(lái)壓時(shí)工作面及巷道內(nèi)來(lái)壓顯現(xiàn)將非常強(qiáng)烈，存在引發(fā)安全事故的隱患。根據(jù)老頂初次來(lái)壓當(dāng)量的計(jì)算公式可以看出，對(duì)于某一特點(diǎn)工作面，其采高、直接頂、偽頂厚度為確定值，則老頂初次來(lái)壓當(dāng)量與初次來(lái)壓步距呈正相關(guān)，因此可采取人工放頂措施來(lái)減小老頂初次來(lái)壓步距，進(jìn)而減小老頂初次來(lái)壓當(dāng)量。

3水力壓裂參數(shù)確定

為減小3402工作面老頂初次來(lái)壓步距，設(shè)計(jì)采用水力壓裂技術(shù)處理長(zhǎng)石砂巖老頂，為取得理想的切頂效果，本節(jié)對(duì)水力壓裂的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行選定。

3．1壓裂高度分析壓裂高度對(duì)于預(yù)裂效果至關(guān)重要，結(jié)合類(lèi)似地質(zhì)條件下相關(guān)研究成果，壓裂高度需不小于垮落帶高度和老頂高度的最大值，3402工作面頂板為堅(jiān)硬巖層，其垮落帶計(jì)算公式［2］:Hm=100∑M42．1∑M+16±2．5(2)式中:Hm為垮落帶高度，m;∑M為工作面采高，m;3402工作面采高為5．28m，計(jì)算可得其垮落帶發(fā)育高度為4．72m，老頂最大高度(距采煤工作面頂板)為20．82m，因此水力壓裂垂直高度應(yīng)不小于20．82m．

3．2壓裂方位角的選擇水力壓裂初始階段，水力裂紋沿鉆孔內(nèi)切槽方向擴(kuò)展，擴(kuò)展到一定范圍后，水力裂紋將沿著最大主應(yīng)力方向延伸擴(kuò)展［3－4］，因此壓裂鉆孔沿著與最大主應(yīng)力平行的方向?qū)⑷〉米罴训那许斝Ч?，根?jù)3402工作面相關(guān)資料可得，3402切眼最大主應(yīng)力方向?yàn)镹1．6°W，工作面向沿東西方向布置，沿正北方向推進(jìn)，為方便現(xiàn)場(chǎng)施工，設(shè)計(jì)鉆孔方位角沿正北方向，如圖1所示。

43402工作面水力壓裂方案設(shè)計(jì)

結(jié)合前文研究成果，提出3402工作面壓裂鉆孔布置方案，在切眼內(nèi)靠近工作面一側(cè)布置①類(lèi)、②類(lèi)兩種鉆孔，分別為S孔、L孔，鉆孔直徑56mm，呈交替布置，S孔與水平方向夾角50°，L孔與水平方向夾角30°，方位角均沿正北方向，S孔長(zhǎng)度28m，垂直高度21．45m，L孔長(zhǎng)度30m，垂直高度15．0m，S孔、L孔交替布置，靠近工作面端頭的4個(gè)鉆孔間距為10m，工作面中部其余鉆孔間距15m;切眼另一側(cè)及兩側(cè)回采巷道中部頂板布置③類(lèi)鉆孔，垂直巷道頂板施工，直徑35mm，深度10m，間距10m，切眼、兩側(cè)巷道分別布置20個(gè)，鉆孔布置如圖2所示。S孔切頂高度高，L孔切頂水平范圍長(zhǎng)，兩類(lèi)鉆孔交替布置可達(dá)到增大壓裂范圍的目的，兩類(lèi)鉆孔與水平方向夾角不同，水力裂紋延伸方向?qū)⒋嬖诮徊?，可?shí)現(xiàn)多層次、立體化預(yù)裂破斷的目的。圖23402壓裂現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過(guò)程中，首先進(jìn)行切眼前方S孔、L孔的交替壓裂，兩側(cè)回采巷道頂板超前回采工作面10m進(jìn)行壓裂工作，切眼背部鉆孔在工作面推進(jìn)8～10m后進(jìn)行壓裂工作，采用ZDY650型礦用鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔施工，S孔、L孔孔內(nèi)每隔4m設(shè)置1個(gè)切槽，每個(gè)孔共7個(gè)橫向切槽，切眼背部和巷道內(nèi)的C孔不進(jìn)行切槽，每個(gè)孔僅壓裂一次，壓裂位置距孔口5m．S孔、L孔采用FKss－45/40型雙向孔器封孔，采用3ZSB80/62－90型高壓水泵，每個(gè)壓裂鉆孔壓裂7次。

5應(yīng)用效果分析

3402工作面采煤機(jī)每刀進(jìn)尺0．8m，在回采11．2m后，上三角區(qū)域頂板開(kāi)始大面積垮落，繼續(xù)推進(jìn)2．4m后，下三角區(qū)域頂板開(kāi)始垮落，工作面共回采24．8m后，由支架間可觀察到頂板巖層已垮落充填采空區(qū)，頂板出現(xiàn)大面積垮落，現(xiàn)場(chǎng)情況如圖3所示。工作面回采過(guò)程中，經(jīng)常聽(tīng)到頂板破斷的清脆聲音，可分析總結(jié)頂板出現(xiàn)了分層、分段斷裂垮落的現(xiàn)象，如圖3(c)所示，直接頂垮落早于老頂，且垮落距離超前于老頂，老頂破斷后逐漸彎曲下沉，老頂破斷時(shí)現(xiàn)場(chǎng)未出現(xiàn)明顯的震動(dòng)現(xiàn)象。3402工作面回采期間，監(jiān)測(cè)液壓支架的循環(huán)末阻力，并以其均值與均方差之和作為頂板來(lái)壓的判據(jù)，將由運(yùn)輸巷至軌道巷分為上、中、下3個(gè)測(cè)區(qū)，計(jì)算整理得到工作面上、中、下各部位支架循環(huán)末阻力變化情況如圖4所示。3402工作面液壓支架額定工作阻力10000kN，各液壓支架的工作阻力均未出現(xiàn)超出其額定工作阻力的現(xiàn)象，工作面上、中、下區(qū)域初次來(lái)壓步距分別為51m、41m、44m，工作面初次來(lái)壓步距均值為46．6m，將此時(shí)周期來(lái)壓步距代入老頂來(lái)壓當(dāng)量計(jì)算公式，老頂初次來(lái)壓時(shí)Pe=1063．56，老頂分級(jí)指標(biāo)為III級(jí)，老頂來(lái)壓期間工作面及回采巷道內(nèi)礦壓顯現(xiàn)由非常強(qiáng)烈降為強(qiáng)烈，有效將老頂來(lái)壓顯現(xiàn)等級(jí)降低一級(jí)。

6結(jié)語(yǔ)

1)西馮街煤礦3402工作面老頂初次來(lái)壓當(dāng)量Pe=1207．43，老頂分級(jí)為IVb等級(jí)，老頂初次來(lái)壓時(shí)預(yù)計(jì)工作面及回采巷道內(nèi)將出現(xiàn)劇烈的礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，威脅礦井的安全生產(chǎn)。2)3402工作面頂板預(yù)裂垂直高度應(yīng)不小于20．82m，預(yù)裂鉆孔沿正北方向布置切頂效果較好，結(jié)合具體地質(zhì)及開(kāi)采技術(shù)條件，設(shè)計(jì)一套適用于3402工作面的水力壓裂切頂方案。3)3402工作面回采期間，頂板出現(xiàn)了分層、分段斷裂垮落的現(xiàn)象，老頂破斷時(shí)現(xiàn)場(chǎng)未出現(xiàn)明顯的震動(dòng)現(xiàn)象，液壓支架工作面阻力滿(mǎn)足要求，工作面初次來(lái)壓步距46．6m，老頂初次來(lái)壓當(dāng)量為1063．56，老頂分級(jí)降為III級(jí)，工作面及回采巷道內(nèi)礦壓顯現(xiàn)程度由非常強(qiáng)烈降為強(qiáng)烈，實(shí)現(xiàn)了工作面安全高效生產(chǎn)。

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作者:吳同勛 單位:煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司