顶板水压致裂卸压效果评价及工程应用

张凯华（1967—），男，工程师，046200山西省长治市大平煤业有限公司。

顶板水压致裂卸压效果评价及工程应用
张凯华（山西大平煤业有限公司）
摘要大平煤业3111工作面运输顺槽为厚层坚硬顶板，采用高压水致裂技术对其进行弱化，并通过钻孔孔内观测、邻孔出水分析、矿压观测等方式对致裂效果进行分析。

结果表明，采用高压水致裂技术后，顶板岩层得以弱化，矿压显现程度降低，起到了防治冲击地压的作用。

关键词水压致裂矿压显现冲击地压DOI ：10.3969/j.issn.1674-6082.2021.03.012
Effect Evaluation and Engineering Application of Roof Hydraulic Fracturing Pressure Relief
ZHANG Kaihua （Shanxi Daping Coal Industry Co.，Ltd.）
Abstract
Aiming at the thick and hard roof of the 3111working face of Daping Coal Industry ，the
high -pressure water fracturing technology is used to weaken it ，and the fracturing effect is analyzed by the observation in the drill hole ，the water outflow analysis of the adjacent hole ，and the mineral pressure ob⁃servation.It shows that after the high -pressure water fracturing technology is adopted ，the roof rock can be
weakened and the degree of rock pressure is reduced ，which has played a role in preventing rock bursts.
Keywords
hydraulic fracturing ，mineral pressure appearance ，rockburst
总第623期2021年3月第3期
现
代矿业
MODERN MINING
Serial No.623March .2021
我国煤矿采煤工作面多采用全部垮落法处理顶板，当工作面顶板岩层整体性强、完整性好时，采空区后方会形成大面积悬顶，使得工作面矿压显现程度较大，一定程度上可能诱发冲击地压。

大量工程实践已经表明［1-4］，提前弱化顶板岩层，保证其在采空区及时垮落，能够一定程度上降低工作面煤岩体应力水平，防治冲击地压的发生。

工程实践中常采用断顶爆破、水压致裂等措施对顶板进行弱化。

基于此，在大平煤业3111工作面运输顺槽开展水压致裂弱化顶板，对厚层顶板不同位置进行弱化，破坏顶板岩层完整性，减小工作面来压步距，降低工作面运输顺槽的矿压显现程度，保证工作面安全开采。

1工作面概况
3111工作面位于一采区北翼中部，如图1所示，
其东部为3109工作面采空区，西部为实体煤区域，南部至三盘区大巷保护煤柱为界，北部为实炭区。

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25.11m 3
/min。

工作面切眼及2条顺槽均采用锚网索支护，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。

2顶板弱化关键参数确定
为最大限度降低工作面开采过程中运输顺槽超
前影响区域的冲击危险性，降低本工作面开采过程中的矿压显现程度，需对工作面上覆厚硬岩层采取水压致裂措施，破坏顶板完整性。

大量研究已经表明，工作面推进过程中，老顶悬露面积越来越大，当老顶岩层达到其极限强度时，形成“X”型破坏［5］，如图2所示，顶板岩层在运输顺槽后
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现代矿业2021年3月第3期
总第623期
方形成弧形三角块的悬臂梁结构，因此需采用水压致裂措施弱化弧形顶板的完整性，使其在采空区及时垮落，减小弧形顶板对运输顺槽围岩的作用。

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7，27和41m，保证其中上覆岩层自重力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，压裂裂缝扩展半径一般在4~7m，因此确定钻孔间距为12m。

3
水压致裂效果分析
3.1
定向起裂裂缝形态分析
采用钻孔窥视仪对致裂钻孔起裂裂缝形态进行
观测，观察割缝刀具形成的起裂槽的性态，部分钻孔起裂裂缝形态如图4所示，从图4中可以看出，致裂钻孔切槽效果明显，切槽位置出现明显槽晕，起裂裂缝所在位置符合设计要求。

3.2
裂缝扩展范围分析
3111工作面运输顺槽16#孔高压水致裂过程中，水压为26.5~29MPa，通过钻孔窥视仪观测相邻15#钻孔孔中涌水情况，16#钻孔压裂15min 时，15#钻孔出现明显“水汽”现象，见图5所示，继续致裂，15#钻孔孔口水流量明显增大，如图6所示。

图7为压裂完成后16#孔底观测图，图7中可以看出，16#钻孔致裂完成后，起裂裂缝附近虽没有明显破碎裂隙发育，但在拉应力作用下会产生一定的环状裂隙，同时预割裂隙开裂并向深部扩展、延伸直至相
互贯通，有效地对坚硬顶板进行了分层，以达到预期效果。

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期
3.3矿压控制效果分析
3111工作面已安装KJ216型矿压在线监测系统，
在工作面每间隔5个支架布置1个测点，实时监测支架的压力变化。

对3111工作面运输顺槽一侧1#、2#、3#测站监测数据进行分析，各测站支架工作阻力随工作面推进的变化曲线如图8
所示。

将3个测站的来压情况进行统计，结果如表1所
示。

通过分析工作面支架阻力监测数据，可知3111工作面运输顺槽一侧来压步距为21.20~22.90m，来压动载系数为1.14~1.20，运输顺槽来压强度较小，现场回采时未出现较大的矿压显现；与邻近3109工作面运输顺槽相比，来压动载系数减小12%。

4结论
（1）针对3111工作面运输顺槽顶板岩层，设计致裂钻孔倾角为50°，孔深为41m，致裂深度分别为7，27和41m，保证其中上覆岩层自重力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，压裂裂缝扩展半径一般在4~7m，因此确定钻孔间距为12m。

（2）通过分析起裂裂缝性态、邻孔出水情况、矿压显现特征对水压致裂卸压效果进行全过程的评价，起裂裂缝形态良好、邻孔出水表明弱面扩展范围满足卸压要求，矿压显现程度减弱表明水压致裂弱化了顶板岩层完整性，起到了防治冲击地压的作用。

参
考
文
献
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（收稿日期2021-01-11）
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