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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(chǎn)，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(xiàn)將非常強烈，設計采用水力壓裂初采放頂技術，根據(jù)現(xiàn)場實際的條件確定具體的壓裂鉆孔布置參數(shù)，并在壓裂方案實施后進行礦壓監(jiān)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(xiàn)，實現(xiàn)了初采期間的安全生產(chǎn)。

關鍵詞:老頂;初次來壓;礦壓監(jiān)測;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，地面標高+595～+676．4m，煤層埋深122～206m，采動區(qū)域內(nèi)，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(nèi)無任何建筑物。3402綜放工作面井下位于四盤區(qū)膠帶巷左翼160～310m處，東部為3403采空區(qū)，南部為四盤區(qū)回風巷、四盤區(qū)膠帶巷、四盤區(qū)軌道巷;西部為3401采空區(qū);北部為礦界保安煤柱。工作面所開采3號煤層屬二疊系下統(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，采用走向長壁，綜合機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工作面老頂分級等級

結合西馮街煤礦3號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(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壓，老頂初次來壓當量Pe可作為判別老頂來壓強度的依據(jù)，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(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號煤層與3402工作面類似地質(zhì)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(nèi)來壓顯現(xiàn)將非常強烈，存在引發(fā)安全事故的隱患。根據(jù)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(shù)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(jié)對水力壓裂的關鍵參數(shù)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(zhì)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(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?qū)⑷〉米罴训那许斝Ч鶕?jù)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(xiàn)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(nèi)靠近工作面一側(cè)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(cè)及兩側(cè)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(cè)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?qū)⒋嬖诮徊?，可實現(xiàn)多層次、立體化預裂破斷的目的。圖23402壓裂現(xiàn)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(cè)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(nèi)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(nèi)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(qū)域頂板開始大面積垮落，繼續(xù)推進2．4m后，下三角區(qū)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(qū)，頂板出現(xiàn)大面積垮落，現(xiàn)場情況如圖3所示。工作面回采過程中，經(jīng)常聽到頂板破斷的清脆聲音，可分析總結頂板出現(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，老頂破斷時現(xiàn)場未出現(xiàn)明顯的震動現(xiàn)象。3402工作面回采期間，監(jiān)測液壓支架的循環(huán)末阻力，并以其均值與均方差之和作為頂板來壓的判據(jù)，將由運輸巷至軌道巷分為上、中、下3個測區(qū)，計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(nèi)礦壓顯現(xiàn)由非常強烈降為強烈，有效將老頂來壓顯現(xiàn)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(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(zhì)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(xiàn)了分層、分段斷裂垮落的現(xiàn)象，老頂破斷時現(xiàn)場未出現(xiàn)明顯的震動現(xiàn)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(nèi)礦壓顯現(xiàn)程度由非常強烈降為強烈，實現(xiàn)了工作面安全高效生產(chǎn)。

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(yè)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?shù)膽醚芯浚跩］．能源與節(jié)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(yè)太原設計研究院集團有限公司