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摘要:為避免西馮街煤礦3402工作面老頂初次來壓威脅工作面的安全生產，理論分析計算確定工作面為IVb級頂板，老頂初次來壓礦壓顯現將非常強烈，設計采用水力壓裂初采放頂技術，根據現場實際的條件確定具體的壓裂鉆孔布置參數，并在壓裂方案實施后進行礦壓監測，結果表明:3402工作面初次來壓步距46．6m，老頂分級降為III級，有效減少了礦壓顯現，實現了初采期間的安全生產。

關鍵詞:老頂;初次來壓;礦壓監測;水力壓裂

1工程概況

西馮街煤業3402綜放工作面位于礦區北部區域，回采區域地表位于引渠村以東660～810m，地面標高+595～+676．4m，煤層埋深122～206m，采動區域內，地表為山地，無河流，地勢呈南高北低，開采范圍及其四周120m范圍內無任何建筑物。3402綜放工作面井下位于四盤區膠帶巷左翼160～310m處，東部為3403采空區，南部為四盤區回風巷、四盤區膠帶巷、四盤區軌道巷;西部為3401采空區;北部為礦界保安煤柱。工作面所開采3號煤層屬二疊系下統山西組，煤層厚度平均2．95m，煤層傾角1～5°，煤層厚度比較穩定，煤硬度為f=3～4，工作面采高3．0m，采用走向長壁，綜合機械化放頂煤采煤方法，全部垮落法管理頂板，頂底板巖性特征如表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。

23402工作面老頂分級等級

結合西馮街煤礦3號煤層以往采煤工作面的礦壓現象規律，3402工作面上方均厚16．5m長石砂巖為老頂，為關鍵層，該巖層是否垮落對于回采工作面及巷道內的礦壓現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壓，老頂初次來壓當量Pe可作為判別老頂來壓強度的依據，其計算公式為［1］:Pe=241．3lnLf－15．5N+52．6h2(1)式中:Pe為老頂初次來壓當量，kPa;Lf為老頂初次垮落時工作面推進距離，m;N為采空區直接充填系數，h1/h2，h1為直接頂及偽頂厚度，m;h2為采高，m．西馮街煤礦3號煤層與3402工作面類似地質條件和開采技術條件工作面初次來壓步距為80m43實用技術總第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)計算可得3402工作面老頂初次來壓當量為1207．43，參閱相關研究成果［1］，老頂初次來壓等級為IVb等級，老頂來壓時工作面及巷道內來壓顯現將非常強烈，存在引發安全事故的隱患。根據老頂初次來壓當量的計算公式可以看出，對于某一特點工作面，其采高、直接頂、偽頂厚度為確定值，則老頂初次來壓當量與初次來壓步距呈正相關，因此可采取人工放頂措施來減小老頂初次來壓步距，進而減小老頂初次來壓當量。

3水力壓裂參數確定

為減小3402工作面老頂初次來壓步距，設計采用水力壓裂技術處理長石砂巖老頂，為取得理想的切頂效果，本節對水力壓裂的關鍵參數進行選定。

3．1壓裂高度分析壓裂高度對于預裂效果至關重要，結合類似地質條件下相關研究成果，壓裂高度需不小于垮落帶高度和老頂高度的最大值，3402工作面頂板為堅硬巖層，其垮落帶計算公式［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，計算可得其垮落帶發育高度為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，水力裂紋沿鉆孔內切槽方向擴展，擴展到一定范圍后，水力裂紋將沿著最大主應力方向延伸擴展［3－4］，因此壓裂鉆孔沿著與最大主應力平行的方向將取得最佳的切頂效果，根據3402工作面相關資料可得，3402切眼最大主應力方向為N1．6°W，工作面向沿東西方向布置，沿正北方向推進，為方便現場施工，設計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計

結合前文研究成果，提出3402工作面壓裂鉆孔布置方案，在切眼內靠近工作面一側布置①類、②類兩種鉆孔，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孔長度28m，垂直高度21．45m，L孔長度30m，垂直高度15．0m，S孔、L孔交替布置，靠近工作面端頭的4個鉆孔間距為10m，工作面中部其余鉆孔間距15m;切眼另一側及兩側回采巷道中部頂板布置③類鉆孔，垂直巷道頂板施工，直徑35mm，深度10m，間距10m，切眼、兩側巷道分別布置20個，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，兩類鉆孔交替布置可達到增大壓裂范圍的目的，兩類鉆孔與水平方向夾角不同，水力裂紋延伸方向將存在交叉，可實現多層次、立體化預裂破斷的目的。圖23402壓裂現場實際施工過程中，首先進行切眼前方S孔、L孔的交替壓裂，兩側回采巷道頂板超前回采工作面10m進行壓裂工作，切眼背部鉆孔在工作面推進8～10m后進行壓裂工作，采用ZDY650型礦用鉆機進行鉆孔施工，S孔、L孔孔內每隔4m設置1個切槽，每個孔共7個橫向切槽，切眼背部和巷道內的C孔不進行切槽，每個孔僅壓裂一次，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，每個壓裂鉆孔壓裂7次。

5應用效果分析

3402工作面采煤機每刀進尺0．8m，在回采11．2m后，上三角區域頂板開始大面積垮落，繼續推進2．4m后，下三角區域頂板開始垮落，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，頂板出現大面積垮落，現場情況如圖3所示。工作面回采過程中，經常聽到頂板破斷的清脆聲音，可分析總結頂板出現了分層、分段斷裂垮落的現象，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，老頂破斷時現場未出現明顯的震動現象。3402工作面回采期間，監測液壓支架的循環末阻力，并以其均值與均方差之和作為頂板來壓的判據，將由運輸巷至軌道巷分為上、中、下3個測區，計算整理得到工作面上、中、下各部位支架循環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超出其額定工作阻力的現象，工作面上、中、下區域初次來壓步距分別為51m、41m、44m，工作面初次來壓步距均值為46．6m，將此時周期來壓步距代入老頂來壓當量計算公式，老頂初次來壓時Pe=1063．56，老頂分級指標為III級，老頂來壓期間工作面及回采巷道內礦壓顯現由非常強烈降為強烈，有效將老頂來壓顯現等級降低一級。

6結語

1)西馮街煤礦3402工作面老頂初次來壓當量Pe=1207．43，老頂分級為IVb等級，老頂初次來壓時預計工作面及回采巷道內將出現劇烈的礦壓顯現現象，威脅礦井的安全生產。2)3402工作面頂板預裂垂直高度應不小于20．82m，預裂鉆孔沿正北方向布置切頂效果較好，結合具體地質及開采技術條件，設計一套適用于3402工作面的水力壓裂切頂方案。3)3402工作面回采期間，頂板出現了分層、分段斷裂垮落的現象，老頂破斷時現場未出現明顯的震動現象，液壓支架工作面阻力滿足要求，工作面初次來壓步距46．6m，老頂初次來壓當量為1063．56，老頂分級降為III級，工作面及回采巷道內礦壓顯現程度由非常強烈降為強烈，實現了工作面安全高效生產。

參考文獻:

［1］房慶．魏墻煤礦1313工作面厚硬頂板水力壓裂初采放頂技術研究［D］．北京:中國礦業大學，2021．

［2］吳登超．錢營孜煤礦W3_220工作面縮小F22正斷層保護煤柱研究［D］．合肥:安徽建筑大學，2022．

［3］韓翔．呂梁山煤電井下高位水力壓裂切頂的應用研究［J］．能源與節能，2021(10):180－182．

［4］崔峰，崔魏，張勃陽，等．堅硬頂板多層次立體化水力壓裂技術研究［J］．河南理工大學學報(自然科學版):2022(5):1－6．

作者:吳同勛 單位:煤炭工業太原設計研究院集團有限公司