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深孔爆破与水力压裂技术初次放顶效果对比分析

2025-02-11 32 上传者：管理员

摘要：陕西某矿在同一盘区东西两翼首采工作面分别采用深孔爆破与水力压裂技术进行了初次放顶，采用支架压力监测数据对初次来压步距进行了分析，根据初次来压步距，对2种不同初次放顶技术在地质条件近似的条件下的效果进行对比分析。在采高、顶板处理高度和地质条件相似的情况下，从初次来压步距可以得出水力压裂效果较好于深孔爆破初次放顶效果。

关键词：
冲击地压
初次放顶
支架压力监测
水力压裂
深孔爆破
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工作面基本顶为坚硬致密,整体性好的岩层时,工作面在初采期间,基本顶不易自然垮落,大面积悬顶导致应力和能量的大量积聚,当悬露顶板突然垮落时,具有岩石冒落块度大､覆岩运动波及范围广､对支护设备有冲击作用等特点,且易诱发顶板大面积来压､冲击地压等动力灾害,严重威胁工作面安全生产[1-2]｡目前,针对初采期间初次放顶主要采用的技术是深孔爆破法和水力压裂法｡通过采用深孔预裂爆破和水力压裂技术[3-4],达到弱化顶板力学性质,人为破坏顶板整体性与完整性,缩短初次来压步距的目的,减小顶板大面积垮落对工作面安全生产的威胁｡诸多学者对于爆破初次放顶技术和水力压裂初次放顶技术进行了深入研究,并在现场取得广泛应用[5-6]｡目前研究多以施工技术研究为主,鲜有对2种技术的效果对比进行分析｡

本文以陕西某矿同一盘区东､西翼2个地质条件相似的首采工作面为背景,采用不同的初次放顶技术后,根据支架压力监测系统对初次来压步距进行分析,对2种技术的效果进行对比总结｡

1、工作面工程概况

1.1深孔爆破初次放顶技术工作面

20101综采工作面位于矿井201盘区东部,为矿井东翼首采工作面;根据工作面附近钻孔柱状图得知,2#煤层平均埋深为602m左右,工作面长300m,推采长度2914m,煤层倾角0.4°~1.4°,平均倾角0.9°,煤厚3.9~6.3m,煤层平均厚度5.6m,采用大采高综采采煤法｡切眼附近ZK28-11钻孔柱状,如图1所示｡

图120101工作面切眼附近ZK28-11钻孔柱状图

1.2水力压裂初次放顶技术工作面

20102综采工作面位于矿井南翼201盘区西部,为矿井南翼西侧首采工作面;根据工作面附近钻孔柱状图得知,2#煤层平均埋深为615m左右,工作面长300m,推采长度为3529m,倾角0°~2.6°,平均倾角1.0°,2#煤层厚5.08~6.83m,平均5.9m｡采用大采高综采采煤法｡切眼附近ZK28-21钻孔柱状,如图2所示｡

图220102工作面切眼附近ZK28-21钻孔柱状图

2、初次放顶方案

2.120101工作面深孔爆破

根据理论垮落带高度计算和切眼附近钻孔柱状图,设计顶板处理的垂直高度为煤层上方20m｡切眼内采用2组炮孔平行布置,所有炮孔向运输巷方向偏斜,每组炮孔沿切眼轴线方向呈一字形排列｡其中,A组炮孔距切眼后帮煤壁大于1m,每隔10m布置1个炮孔,共布置33个炮孔,编号分别为A1~A33,其中,A1炮孔仰角60°,钻孔长度23m;A2炮孔仰角45°,钻孔长度28m;A3~A30炮孔仰角30°,钻孔长度40m;A31~A33炮孔为掏槽炮孔,仰角30°,钻孔长度分别为36.8､25.2､13.6m｡B组炮孔与A组炮孔间距2m,每隔15m布置1个炮孔,共布置21个炮孔,编号B1~B21,其中,B1炮孔仰角60°,钻孔长度23m;B2炮孔仰角45°,钻孔长度28m;B3~B21炮孔仰角30°,钻孔长度40m;B22炮孔为掏槽炮孔,仰角30°,钻孔长度25.2m｡

同时在切眼端头2条巷道内布置4个C组炮孔,C1和C2炮孔位于运输巷,钻孔长度分别为36.44m和40m,仰角分别为33°和30°,与运输巷回采帮夹角分别为10°和30°(方位角分别为60°和80°);C3和C4炮孔位于回风巷,钻孔长度分别为36.44m和40m,仰角分别为33°和30°,与回风巷回采帮夹角分别为10°和30°(方位角分别为100°和120°)｡施工炮孔直径为准94mm,药卷直径准63mm,炸药约按3kg/m计算,雷管采用煤矿许用6#普通瞬发电雷管,每孔2发雷管｡炮孔布置如图3所示,炮孔部分参数,如表1所示｡

图3炮孔布置图

表1炮孔部分参数表

2.220102工作面水力压裂

根据理论垮落带高度计算和切眼附近钻孔柱状图,设计顶板处理的垂直高度为煤层上方20m｡在切眼内共布置70个钻孔,共计长度为2545m｡其中,长孔L数量24个,孔深45m,倾角15°,共1080m;短孔S数量29个,孔深30m,倾角35°,共870m;加强孔J数量17个,孔深35m,倾角25°,共595m｡由于工作面端头区域不易垮落,易悬顶｡为了工作面两端头压裂效果最佳,将长孔､短孔平面角度进行了调整,并在端头部向切眼后方区域增加了加强孔6个｡钻孔布置,如图4所示,压裂施工参数,如表2所示｡

图4水力压裂初次放顶钻孔布置图

表2水力压裂施工参数表

3、初次来压判断

3.1支架压力监测方案

20101工作面安装有KJ21矿山压力监测系统,每10架安装1部在线式支架压力记录仪,分别安装在5#､15#､25#､…､145#支架上,共安装了15部;20102工作面采用电液控制系统监测所有支架的压力变化,共安装了150部｡2种监测系统通过监测支架左右柱压力,实时监测的矿压数据传输至地面矿压监控平台,可及时掌握工作面压力变化情况｡

3.220101工作面支架压力监测数据分析

选取工作面机头(5#架)､中部(65#和95#)､机尾(145#)处支架分析工作面来压情况(见图5),可以看出2021年11月29日以前(11月24日—29日因回采初期通信影响,数据传输不连续),工作面支架整体压力低于30MPa,顶板未出现来压状态;11月30日—12月1日,工作面中部支架压力整体处于较高水平(40~45MPa),顶板处于持续来压状态;12月2日—4日,工作面支架压力具有明显降低趋势,顶板来压强度降低｡

11月30日—12月2日的工作面整体压力云图,如图6所示,由图6可知,本工作面初次来压主要发生在11月30日—12月1日,在工作面倾向方向主要位于65#~125#支架之间,部分支架持续来压至12月2日结束｡工作面自12月2日支架压力开始恢复正常,判定初次来压已过｡

通过支架压力数据分析,判断20101工作面初次来压时间为2021年11月28日—12月2日,来压步距为43~50m,这与理论计算的初次来压步距42.86m较为一致｡

3.320102工作面支架压力监测数据分析

选取工作面机头(5#架)､中部(55#和100#)､机尾(135#)处支架分析工作面来压情况(见图7),支架在2023年6月25日—26日压力达到了最大,达到41.5~44.4MPa;部分支架安全阀开启｡

图520101工作面部分支架压力曲线图

图620101工作面支架压力云图

由上述分析可知,20102工作面初次来压主要发生在2023年6月25日—26日,6月26日工作面推进至39.8m,工作面支架多数压力超过40MPa以上,最大45.8MPa,工作面整体进入初次来压状态｡根据20102工作面支架云图(见图8),6月25日—26日整个工作面初次来压｡

图720102工作面部分支架压力曲线图

图820102工作面支架压力云图

20102工作面截至2023年6月27日工作面累计推进了约51.9m,期间工作面推进速度为2.6~10.3m/d,平均推进速度5.76m/d｡根据支架压力曲线判断工作面初次来压时间为6月25日—26日,对应初次来压步距为34~39.8m｡

4、结语

(1)通过对2个工作面采用不同初次放顶技术后在初采期间的支架压力数据分析,得出20101工作面采用深孔爆破初次放顶技术的初次来压步距为43~50m,20102工作面采用水力压裂初次放顶技术的初次来压步距为34~39.8m｡