石灰巖頂板綜采工作面水力壓裂放頂技術實踐

高李王

（山西煤炭運銷集團錦瑞煤業有限公司，山西 呂梁 033000）

采空區懸頂面積大、來壓步距長、強度大，嚴重影響工作面安全生產。水力壓裂治理堅硬頂板是近年來煤礦堅硬頂板治理的新技術，已在我國多個礦區進行應用，主要用于工作面初采放頂[1-2]，進、回風隅角懸頂治理，工作面堅硬頂板治理，以及切頂卸壓等。本文通過錦瑞煤業水力壓裂放頂技術實踐，可為同礦區類似條件工作面頂板治理提供參考借鑒。

1 工程概況

錦瑞煤業為山西煤炭運銷集團兼并重組礦井，開采5～9號煤層，生產能力1.2 Mt/a，礦井為低瓦斯礦井。8101綜采工作面主要開采8號煤層，煤層屬自燃煤層，煤塵具有爆炸危險性。8號煤厚度1.2～3.5 m，平均厚度3.2 m，傾角為0°～11°，平均3°，含0～3層夾矸，厚0.05～0.39 m，巖性為泥巖或炭質泥巖，煤層頂板為石灰巖，底板為細砂巖（煤層頂底板巖性見表1）；該工作面傾斜長255 m，走向長848 m，工作面埋深237～320 m，工作面為綜采一次采全高開采，全部垮落法管理頂板。工作面運輸順槽凈寬5.2 m，凈高3.0 m，凈斷面積15.6 m2；回風順槽凈寬4.5 m，凈高3.0 m，凈斷面積13.5 m2；切眼凈寬7.5 m，凈高3.0 m，凈斷面積22.5 m2。根據巷道掘進揭露，工作面400～440 m處有一5°～8°的褶曲構造，運輸順槽130 m處存在一條正斷層，斷層的斷距為1 m，無陷落柱。

表1 8 號煤層頂底板情況

名稱 巖石名稱 厚度/m 巖性特征偽頂 無 無 無直接底 砂紙泥巖、泥巖10.55～13.76灰黑色，半堅硬，性脆，含豐富的植物葉部化石。

2 水力壓裂方案

錦瑞煤業8101工作面直接頂和老頂均為石灰巖，石灰巖總厚度最大為13.88 m，石灰巖存在一定裂隙，但由于其整體強度高，在工作面回采期間堅硬頂板不易垮落，造成工作面采空區大面積懸頂，初次來壓及周期步距長，來壓顯現強烈；且在工作面正常回采期間，進、回風隅角端頭易出現大面積懸頂，空頂面積較大，易形成瓦斯積聚，影響工作面安全回采。因此，需對工作面堅硬石灰巖頂板進行弱化治理，減小工作面初次來壓和周期來壓步距以及上下隅角的懸頂面積。

2.1 壓裂鉆孔布置

為了弱化工作面堅硬石灰巖頂板，需對工作面煤層上覆石灰巖進行整體弱化處理，水力壓裂鉆孔垂直布置深度應大于頂板石灰巖厚度13.88 m，據此確定，水力壓裂鉆孔垂直深度不小于16 m。壓裂鉆孔布置分為切眼鉆孔和順槽鉆孔。

（1）切眼鉆孔

8101工作面切眼鉆孔位于切眼頂板，分兩排布置，一排靠近采空區側巷幫，一排靠近工作面煤壁側巷幫，具體布置參數如下：①采空區側頂板鉆孔開孔位置距巷幫1 m，鉆孔水平投影與切眼軸向平行，仰角為75°，鉆孔孔深為17 m，鉆孔直徑為75 mm，鉆孔間距為10 m，兩側鉆孔距兩側順槽巷幫分別為12 m和12.7 m；②工作面煤壁側頂板鉆孔開孔位置距煤壁1 m，鉆孔垂直于煤壁向前，仰角為45°，鉆孔孔深為23 m，鉆孔直徑為75 mm，鉆孔間距為10 m，兩側鉆孔距兩側順槽煤體側巷幫分別為7.5 m。鉆孔布置見圖1和圖2。

圖1 工作面鉆孔布置平面

圖2 切眼鉆孔剖面

（2）順槽鉆孔

為解決工作面周期來壓步距大、來壓強烈以及上、下隅角懸頂面積大的問題，順槽巷道鉆孔也分兩排布置，一排位于工作面順槽煤體側巷幫頂角，一排位于工作面順槽遠離工作面側巷幫頂板，具體參數如下：①順槽煤體側巷幫水力壓裂鉆孔位于巷道頂角處，鉆孔水平投影與順槽巷道軸向成75°夾角向采空區側傾斜，仰角為30°，鉆孔孔深為32 m，鉆孔直徑為75 mm，鉆孔間距為10 m，鉆孔距切眼煤壁25 m開始施工；②遠離工作面側巷幫頂板鉆孔距巷幫0.5 m，鉆孔水平投影與巷道軸線平行，仰角為75°，鉆孔孔深為17 m，鉆孔起始位置距采空區側巷幫5 m開始施工，鉆孔間距為10 m。鉆孔布置見圖1和圖3。

圖3 順槽鉆孔剖面

2.2 水力壓裂工藝

切眼內水力壓裂施工在工作面安裝支架前進行，順槽內鉆孔水力壓力施工需超前工作面不少于50 m進行施工。鉆孔內水力壓裂采用倒退式施工，由內往外每隔3 m進行一次壓裂。為保護巷道頂板支護系統，防止切眼及順槽巷道頂板失穩，錨索支護范圍內不進行水力壓裂施工，因此確定，各壓裂鉆孔孔口8 m不進行壓裂施工，17 m鉆孔壓裂3次，23 m鉆孔壓裂5次，32 m鉆孔壓裂8次。

壓裂施工時先采用封孔器進行封孔，封孔水壓為10 MPa；再采用高壓泵進行水力壓裂，保壓時間根據現場情況確定，一般不小于30 min，如果巷道頂板、巷幫或鉆孔中出現大量返水，則停止本次壓裂施工，退出進行下一次壓裂。

3 效果分析

3.1 來壓觀測分析

錦瑞煤業8101工作面采用水力壓裂進行工作面頂板弱化處理后，對工作面回采期間液壓支架壓力進行統計分析，工作面老頂初次來壓步距為28.5 m，且工作面初采過程中支架壓力較為平穩，最大支架壓力為5619 kN；工作面周期來壓步距為13.8 m，周期來壓時最大支架壓力6120 kN。可見，高壓水力壓裂使頂板巖層裂隙貫通，破壞了頂板的完整性，堅硬石灰巖頂板得到有效弱化，減小了工作面采空區懸頂面積，降低了初次來壓和周期來壓步距，工作面礦壓顯現強度降低。

3.2 進、回風隅角懸頂

在工作面回采期間對工作面進、回風角懸頂長度進行觀測統計，進、回風隅角懸頂長度為2～4 m，懸頂面積為4～8 m2，進、回風隅角懸頂面積得到控制，有利于工作面回風隅角瓦斯管理。

4 結語

1） 錦瑞煤業8101工作面采用高壓水進行頂板壓裂后，工作面老頂初次來壓步距為28.5 m，周期來壓步距為13.8 m，工作面來壓步距均得到降低；且進、回風隅角懸頂面積得到有效控制，懸頂面積為4～8 m2，有利于工作面回風隅角瓦斯管理。

2）通過試驗，水力壓裂可使頂板巖層裂隙貫通，破壞了頂板的完整性，有效弱化工作面堅硬頂板，是一種綠色、安全的堅硬頂板治理技術，且其適用范圍廣泛，更可適用于高瓦斯礦井。