“三硬”煤层条件下水压致裂卸压防冲效果分析

张凯华

（山西大平煤业有限公司，山西长治046200）

赋存在“三硬”条件的煤层在开采过程中，回采空间煤岩体易储存大量弹性能，在上覆岩层破断影响下，极易出现弹性能的大量短时间释放，对回采空间形成大范围的破坏，容易诱发冲击地压。预先弱化顶板是防治顶板动力灾害发生的主要手段，其原理是在坚硬顶板中预制出微裂隙，在上覆岩层压力作用下，岩层中预制裂隙发生扩展、贯通，促进坚硬岩层垮落，减弱大面积悬顶突然垮落产生的弹性势能释放。本文主要介绍了顶板水压致裂技术的工程应用及效果分析，并与深孔断顶爆破技术进行对比。

1 水压致裂技术简介

顶板水压致裂技术是在坚硬岩层中预制定向裂缝，如图1所示。在较短的时间内，采用高压水作用于裂缝，使预制裂缝发生扩展，与岩层中原生裂隙发生贯通，弱化坚硬岩层整体性，使其在外力作用下更容易破断垮落，从而达到防治冲击地压的目的。

图1 顶板水力压裂原理图

2 水压致裂现场工程应用

2.1 工作面情况

3111工作面位于一采区北翼中部，如图2所示，东侧为3109工作面采空区，西部为未开采区域，南部为三盘区大巷保护煤柱，北部为未开采区域。工作面主采3-1煤层，平均埋深480～530m，平均煤层厚度5.56m，煤层倾角0°～3°，平均1.5°。工作面最大瓦斯涌出量为25.11m3/min。

工作面切眼及两回采巷道均采用锚网索支护，工作面直接顶为平均厚度8.12m的砂质泥岩，上覆厚度为10.69m与31.03m的细粒砂岩与中粒砂岩，强度较大、完整性好，不易垮落，如不采取弱化措施，工作面推采期间易发生强烈的矿压显现，影响工作面回采安全。

图2 3111工作面相对位置图

2.2 水压致裂施工参数

垮落带岩层厚度是垮落碎胀后能充满采空区自由空间的岩层总厚度。根据3111工作面运输顺槽顶板岩层赋存条件，设计钻孔致裂层位如图3所示。致裂钻孔倾角为50°，孔深为41m，致裂深度分别为7m、27m和41m，保证其中上覆岩层自重产生的拉应力作用下发生破断。根据现场工程试验及相关工程经验，确定钻孔直径48mm，钻孔间距为12m。

3 顶板水压致裂效果检验方法

水压致裂断顶卸压效果可采用以下5种方法进行检验：

（1）相邻观测孔检验：相隔一定距离平行于致裂孔施工一观测孔，通常设计观测孔深度较压裂孔深5m，通过观察压裂过程中，观测孔内是否有压裂液流出来判断卸压效果。

（2）压裂孔窥视：通过钻孔电视设备，对压裂孔致裂前后压裂位置孔壁裂隙的发育情况进行对比，分析压裂位置裂隙发育情况。

（3）随压过程动力现象分析：水压致裂区域一般为应力集中区域，该区域岩体已储存大量弹性能，在高压液体作用下，岩石发生破裂的同时还会伴随动力现象，如岩石破裂的劈裂声；同时致裂会影响该区域煤炮的强度和频率。

（4）监测数据分析：通过对比分析采取水压致裂和未采取水压致裂区域的微震、应力等参量变化情况，分析、判断顶板水压致裂效果。

（5）现场矿压显现对比：通过对比工作面在致裂断顶区域与未进行致裂断顶区域推采期间的动压显现现象，分析断顶预裂效果。

图3 水压致裂方案设计图

4 微震数据分析

（1）微震数据统计分析。对3111工作面在未断顶、爆破断顶、水压致裂断顶等不同区域推采期间不同能级微震事件进行统计，如表1、图4所示。

表1 3111工作面不同断顶区域微震事件统计表

由表1、图4可以看出，未断顶、爆破断顶、水压致裂断顶三个区域，小能量微震事件依次增多，102J以上微震事件依次减少，表明工作面在顶板水力压裂区域推采期间，微震活动以102J以下小能量微震事件为主，能量得以分解、均匀释放，发生大能量微震事件的危险性显著降低。

（2）微震应力云图分析。通过3111工作面在不同断顶区域发生的微震事件，反演得出微震应力云图如图5所示。

通过对比3111回风顺槽水压致裂区域与爆破断顶区域的微震云图，与爆破顶板相对比，3111工作面在水压致裂区域推采期间，微震活动明显减弱，主要以小能量微震事件为主，且回风顺槽趋于平稳，巷道变形量也明显减小，表明顶板水压致裂起到了更好的断顶效果。

图4 3111工作面不同断顶区域微震事件统计柱状图

4 结论

（1）顶板水压致裂在“三硬”煤层条件下顶板治理中效果良好，在一定程度上要好于爆破断顶。

图5 3111回风顺槽不同断顶区域微震应力云图

（2）顶板水压致裂对于砂岩层致裂压力约为25MPa，致裂横向裂隙发育范围超过15m，纵向裂隙发育范围超过9m，且顶板裂隙中充满水后，可以长时间浸润、弱化顶板。

（3）工作面在顶板水压致裂区域推采期间，102J以下小能量微震事件显著增加，大能量微震事件明显减少，表明微震活动以微裂隙发育为主，顶板预裂效果良好。