頂板爆破與水力壓裂末采防沖技術(shù)效果對(duì)比分析

白俊杰

（烏審旗蒙大礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300）

目前國(guó)內(nèi)煤炭企業(yè)優(yōu)先采用頂板水力壓裂技術(shù)[1]，取得了顯著成效。沖擊地壓工作面末采階段頂板水力壓裂無(wú)法有效對(duì)覆巖應(yīng)力分布、應(yīng)力傳遞路徑[2]等重要沖擊要素進(jìn)行有效干預(yù)、消除，更無(wú)法避免不同沖擊要素的疊加。國(guó)內(nèi)已有對(duì)切眼頂板爆破與水力壓裂技術(shù)的對(duì)比成果[3-4]，但至今未見沖擊地壓工作面末采階段中兩項(xiàng)技術(shù)的對(duì)比。通過(guò)對(duì)比分析，證實(shí)傳統(tǒng)的頂板爆破手段具有明顯的“兩大功能”，能有效彌補(bǔ)頂板水力壓裂技術(shù)不足。

1 工程概況

納林河二號(hào)礦井31103-2 和31121 工作面均為雙回撤通道布置的大采高綜采工作面，埋深大約600 m，煤層厚度6 m，煤層和頂板巖層均具有強(qiáng)沖擊傾向性，末采階段具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)等級(jí)。

根據(jù)頂板取芯柱狀圖，設(shè)計(jì)兩種不同頂板處置方案的技術(shù)參數(shù)，如圖1。

圖1 末采階段頂板處置方案

2 頂板處理方案

2.1 水力壓裂

31121 主回撤通道頂板水力壓裂相關(guān)參數(shù)見表1，注水泵型號(hào)為BZW123/40，注水泵壓不小于30 MPa，單次壓裂時(shí)間不小于50 min。

表1 頂板水力壓裂施工參數(shù)

2.2 頂板爆破

31103-2 主回撤通道爆破技術(shù)參數(shù)見表2，同組內(nèi)高、低位孔間距控制在1～1.5 m 之內(nèi)，爆破孔直徑89 mm。

表2 31103-2 工作面主回撤通道頂板爆破孔施工參數(shù)

3 頂板處置技術(shù)分析及檢驗(yàn)

3.1 理論分析

（1）水力預(yù)裂裂縫擴(kuò)展的基本條件

裂縫擴(kuò)展力學(xué)模型[5]如圖2，根據(jù)彈性力學(xué)理論[6]，裂隙要繼續(xù)擴(kuò)展，必須要克服表面粘結(jié)力。根據(jù)Darcy 定律，裂縫擴(kuò)展的注水壓力P，即：

圖2 切槽裂縫擴(kuò)展力學(xué)模型

式中：σα為水壓力，MPa；σv為垂直地應(yīng)力，MPa；σh為水平地應(yīng)力，MPa；Rt為巖石抗拉強(qiáng)度，MPa；l為擴(kuò)展長(zhǎng)度，m；v為流速，m/s；k為水在巖體中的滲透率，md。

結(jié)論：根據(jù)公式（1）和（2）計(jì)算得，31121工作面頂板水力壓裂的注水壓力P=18.5 MPa，注水泵為BZW123/40，輸出壓力能滿足壓裂要求。經(jīng)帶壓注水檢測(cè)，相鄰壓裂孔出水，說(shuō)明10 m 間距水力壓裂孔裂隙半徑相互重疊，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（2）爆破裂隙發(fā)育分析

根據(jù)現(xiàn)有爆破理論[7]，炸藥爆破后，從爆破源向外依次形成壓碎區(qū)、破裂區(qū)和震動(dòng)區(qū)。由于爆破無(wú)自由面情況下進(jìn)行的，不耦合裝藥時(shí)，可以按爆炸應(yīng)力波計(jì)算單孔爆破的破裂區(qū)范圍，裝藥爆破后作用于孔壁上徑向應(yīng)力峰值，即初始沖擊壓力Pr為：

式中：ρe為爆破筒裝藥密度，0.77×103kg/m3；D為 爆 速，3710 m/s；dc為 炸 藥 直 徑，Φ70mm 爆破筒，雙排藥卷；db為炮孔直徑，89 mm；n為爆生氣體碰撞巖壁時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力增大倍數(shù)，介于8～11，取n=10。采用煤礦二級(jí)許用乳化炸藥（Φ35 mm×300 mm×300 mm），藥卷密度1.1×103kg/m3。

將以上相關(guān)參數(shù)代入公式（3）進(jìn)行計(jì)算，Pr=3473 MPa。

式中：σt為煤巖體的抗拉強(qiáng)度，2 MPa；b為波速比，b=μ/（1-μ）=0.25；α為應(yīng)力波衰減系數(shù)，α=2-b=1.75；rc為炮孔直徑，89 mm。將以上參數(shù)代入由公式（4）計(jì)算得出：R=4.38 m?？紤]綜合預(yù)裂增大系數(shù)K=1.3，則單孔爆破巖體的最遠(yuǎn)裂隙發(fā)育范圍R'=k×R=5.69 m。

結(jié)論：間距按10 m 布置，爆破后相鄰爆破孔之間裂隙貫通。

3.2 實(shí)施效果現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)

采用CXK12（A）礦用本安型鉆孔成像儀進(jìn)行窺視檢驗(yàn)，如圖3、圖4。

圖3 頂板分段定向水力壓裂后鉆孔窺視結(jié)果

圖4 爆破模型及窺視結(jié)果（3.3 m 平行孔）

3.3 末采階段覆巖應(yīng)力分布模擬

根據(jù)已有的頂板巖層應(yīng)力觀測(cè)資料，利用surfer 對(duì)末采期間煤層上方60 m 范圍頂板巖層內(nèi)應(yīng)力分布情況和應(yīng)力等值線分布進(jìn)行模擬。

（1）頂板分段水力壓裂后，壓裂處理段附近區(qū)域的應(yīng)力分布規(guī)律和傳遞路徑均未見明顯變化，壓裂所產(chǎn)生的裂縫在停壓后，在圍巖應(yīng)力的擠壓下，基本呈閉合狀態(tài)，如圖5（a）、圖6（a）所示。頂板水力壓裂可形成預(yù)制裂隙，縮小采空區(qū)頂板垮落步距，降低來(lái)壓強(qiáng)度，但無(wú)法有效對(duì)末采貫通階段超前范圍覆巖應(yīng)力分布、巷道群上方高集中應(yīng)力傳遞路徑等重要沖擊要素進(jìn)行有效干預(yù)、消除，更無(wú)法有效避免不同沖擊要素的疊加。

（2）頂板“高+低”位爆破后，裝藥爆破段附近區(qū)域的應(yīng)力水平明顯降低，與破碎區(qū)范圍相對(duì)應(yīng)，爆破破碎區(qū)域的應(yīng)力等值線水平大幅度降低，爆破后破碎區(qū)范圍巖石內(nèi)裂縫呈現(xiàn)塊狀、局部粉碎狀態(tài)，出現(xiàn)阻斷應(yīng)力傳遞路徑的現(xiàn)象，如圖5（b）、圖6（b）所示。頂板爆破可形成大范圍裂隙，并形成爆破壓碎區(qū)，對(duì)工作面采動(dòng)壓力的傳遞路徑形成有效阻隔，對(duì)主回撤通道形成保護(hù)作用，避免了不同沖擊要素的疊加，消除了沖擊力源的復(fù)雜性。

圖5 回撤通道末采階段覆巖應(yīng)力分布矢量圖

圖6 回撤通道末采階段覆巖應(yīng)力等值線圖

4 末采階段防沖監(jiān)測(cè)結(jié)果

4.1 回撤通道煤體應(yīng)力變化情況

（1）主回撤通道

實(shí)施頂板爆破后，主回撤通道煤體應(yīng)力值平穩(wěn)，最大值7.2 MPa；實(shí)施頂板水力壓裂后，主回撤通道3#、4#煤體應(yīng)力計(jì)呈現(xiàn)紅色預(yù)警，如圖7（a）。

（2）輔回撤通道

實(shí)施頂板爆破后，應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)值基本平穩(wěn)，189#應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)值最大值14.0 MPa，通道內(nèi)其余應(yīng)力計(jì)均無(wú)預(yù)警；實(shí)施頂板水力壓裂后，末采階段主回撤通道5#、6#煤體應(yīng)力計(jì)呈現(xiàn)紅色預(yù)警，如圖7（b）。

圖7 回撤通道末采階段應(yīng)力計(jì)變化圖

小結(jié)：兩種不同頂板處理手段技術(shù)條件下應(yīng)力變化差異明顯，爆破具有更強(qiáng)的預(yù)制裂隙，并阻斷采動(dòng)應(yīng)力傳遞路徑的功能，爆破形成的破碎區(qū)對(duì)主回撤通道形成保護(hù)作用。

4.2 微震監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

31121 末采階段（距離回采貫通40 m 范圍），微震事件總頻次539 個(gè)，單日頻次日均77 個(gè)，釋放總能量8.0×105J，104及以上事件5 個(gè)，末采階段強(qiáng)動(dòng)載效應(yīng)明顯，沖擊風(fēng)險(xiǎn)極高。

31103-2 較之于31121 末采階段，微震事件頻次降低78%，釋放總能量降低81.1%，未出現(xiàn)104及以上事件，末采階段未出現(xiàn)強(qiáng)動(dòng)載效應(yīng)，微震事件呈現(xiàn)“低頻、低能”的特征，沖擊風(fēng)險(xiǎn)消除。末采階段微震監(jiān)測(cè)對(duì)比見表3。

表3 末采階段微震監(jiān)測(cè)對(duì)比（KJ551）

5 結(jié)論

（1）爆破較之于頂板水力壓裂具有更強(qiáng)的切頂、預(yù)制裂隙功能，爆破形成的壓碎區(qū)和裂隙區(qū)不會(huì)出現(xiàn)再次閉合現(xiàn)象，改善了末采階段覆巖應(yīng)力分布情況。

（2）爆破后形成的壓碎區(qū)和裂隙區(qū)，相較于周圍巖體呈松散狀態(tài)，起到阻斷采動(dòng)壓力傳遞路徑的功能,并對(duì)主要巷道形成卸壓保護(hù)的作用。

（3）較大的爆破能量提前消除了頂板巖層彈性能量聚積的條件，末采階段始終處于“低頻、低能”的狀態(tài)。