燕子山礦水壓預裂堅硬頂板的技術應用

李少波

(大同煤礦集團有限責任公司，山西 大同 037037)

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·技術經驗·

燕子山礦水壓預裂堅硬頂板的技術應用

李少波

(大同煤礦集團有限責任公司，山西 大同 037037)

燕子山礦8403工作面頂板堅硬，初采期間曾采用爆破預裂，但效果不佳，特在鄰面8401初采時，采用中國礦業大學水壓致裂技術，對頂板預裂，相較8403面采用爆破預裂結果，采空區頂板提前15 m垮落。試驗證明水壓致裂技術具有預裂效果好，單孔控制距離遠的特點，可逐步替代傳統爆破預裂。

水壓致裂；堅硬頂板；布孔；采空區

燕子山礦5#層8403工作面頂板堅硬，初采期間雖經爆破預裂但效果不佳，為消除鄰面8401初采時懸板隱患，特采用中國礦業大學水壓致裂技術進行頂板預裂試驗。早期水壓致裂技術主要應用于石油和天然氣增產方面，后被廣泛應用于其他領域。20世紀90年代，波蘭應用水力壓裂技術，有效治理沖擊地壓，釋放堅硬頂板的能量。近年來，黃炳香，鄧廣哲，劉長友等國內學者將水壓致裂技術應用于頂煤預裂、提高頂煤回收率、防治瓦斯突出等方面，都取得了一定效果。水壓致裂技術在燕子山礦的成功試驗，使該礦將逐步替代并淘汰傳統爆破預裂，以消除回采工作面初采時的懸板隱患。

1 工程概況

該礦西區5#層8401工作面長150 m，采高3.0 m，煤層結構復雜，厚度不穩定，煤層全厚為6.35 m，有1～2層0.22～0.50 m的夾石。直接頂為4.73 m厚的細粒砂巖，致密堅硬。基本頂為11.26 m厚的細粒砂巖，硬度高。通過引進中國礦業大學成套水壓致裂技術，對8401工作面頂板進行預裂，確保采空區懸板及時垮落。該工作面頂底板情況見表1.

2 實施過程

2.1 工作面布孔方案

1) 在工作面設備穩裝完成后，進行第一輪致裂，即在工作面布置3個孔(鉆孔以45°仰角朝向推進方向)，工作面中部一個，工作面兩端各一個。

表1 8401工作面頂底板情況表

2) 在工作面推進至15 m時，進行第二輪致裂，即在工作面布置4個孔(鉆孔以45°仰角朝向采空區)，分別位于第一輪相鄰致裂孔的中部，與第一輪致裂孔成交叉布置。

3) 在繼續推進至25 m時，則進行第三輪致裂，在工作面布置鉆孔3個(鉆孔以45°仰角朝向采空區)，位置與第二輪交錯布置。

4) 進行三輪致裂后，若古塘頂板仍未塌落，則按上述交叉布孔方式，每隔10 m進行一輪致裂，見圖1.

圖1 各鉆孔位置分布示意圖

2.2 布孔參數

根據充填采空區所需頂板垮落高度計算得出，預裂高度至少距工作面頂板8 m,即基本頂下部。孔深均為11 m，仰角45°，孔間距根據水壓預裂實施經驗，單孔擴散半徑在10～15 m，特定為30 m. 因支架中心距1.5 m，故每隔20架布置1孔。

3 水壓預裂實施過程及情況

3.1 水壓預裂流程

1) 調試高壓泵、連接管路，做好準備工作。2) 按設計方案施工鉆孔。3) 使用鉆孔窺視儀記錄鉆孔孔壁情況。4) 安裝封孔器、固定安裝桿，并通過高壓管連接水泵。5) 檢查接口、管路，并設置警戒后開泵預裂。6) 致裂過程中密切觀察管路壓力及現場情況。7) 預裂結束，將高壓管泄壓后，拆除管路、回撤封孔器。8) 待孔內不反水時，用鉆孔窺視儀記錄致裂后孔內形態，然后準備預裂下一孔。

3.2 預裂情況及效果

1) 實施情況。

8401工作面從切眼起至采位35 m，共致裂4輪，14個孔，切眼致裂第一輪，后續每隔10 m致裂一輪。孔深均為11 m，仰角45°.

2) 致裂現象。

致裂時，致裂孔前后10架，礦壓表讀數呈先上升(2～4 MPa)后下降(泄壓)狀態，相應支架后采空區頂板，不斷地有巨大斷裂聲響，局部零皮，一段時間后鄰孔貫通，第3、4輪致裂時，多個致裂孔因采空區頂板突然垮落導致瞬間泄壓，致裂孔與頂板垮落處大量出水。

3) 致裂效果分析。

a) 孔壁形態變化。

致裂前，利用鉆孔窺視儀對各鉆孔進行觀察，孔壁情況大都比較完整，見圖2a)，致裂后，待孔停止滴水，觀測致裂段孔壁裂縫形態，發現形態各異，主要可分為軸向裂縫和徑向裂縫，見圖2b).

圖2 1#孔致裂前后孔壁形態比對圖

b) 致裂情況及采空區頂板塌落情況。

第一輪在工作面切眼致裂時工作面頂板響動較小，未見出水處，致裂峰值壓力25 MPa；第二輪采位15 m致裂時，采空區頂板不斷出現頂板斷裂聲，峰值壓力22 MPa；第三輪采位25 m致裂過程中采空區頂板多次出現巨大響動，采空區頂板零皮不斷，局部塌落，古塘頂板出水。經采位35 m第四輪致裂后，采空區頂板已大范圍塌落，局部塌嚴，后繼續推進至40 m時，采空區頂板塌落完全。

c) 與鄰面爆破強制放頂情況比對。

相鄰面8403初采時，在工作面推進10～40 m期間，對頂板進行多輪爆破預裂，期間共打炮孔20個，其中工作面13個，頭端頭3個，尾端頭4個，炮孔深度15 m，仰角45°，成扇形布置。直至工作面推進至40 m時采空區頂板才開始垮落，推進至55 m時，完全垮落。

與相鄰面8403初采時垮落情況對比(表2)，8401工作面采用水壓致裂強制放頂，采空區懸板提前15 m開始垮落及塌嚴，由此證明，水壓致裂起到較好效果。

表2 8401工作面與鄰面8403初采時頂板垮落情況表

3.3 水壓致裂安全技術措施

1) 使用ZLJ-150型鉆機，施工孔徑50 mm，鉆孔到位后采用中國礦業大學研制的專用擴孔刀頭在孔底開槽。

2) 致裂孔施工完畢后，采用安裝桿逐節將封孔器送至距孔底0.5～1.5 m處，安裝桿間必須安裝密封圈，孔口外露安裝桿采用8#鐵絲固定牢靠。

3) 開泵前關緊泄壓閥，檢查泵至孔口間管路，確保高壓膠管完好無損，接頭連接牢固，然后在致裂孔前后20 m范圍設禁區，禁止任何人員行走和逗留，并安排專人監管后，方可開工。

4) 高壓泵型號為BZW200型，致裂時，要嚴密監視泵壓、流量變化情況，若泵壓顯著下降或致裂孔附近出水量大，可立即停泵致裂。

5) 致裂完成，經停泵和泄壓后，方可拆除管路。

4 經驗與不足

1) 在實施水壓致裂前，首先要確定致裂孔深度，致裂高度應足夠充滿采空區，封孔段應在孔壁完整處。

2) 鉆孔要保持一定間距，根據8401工作面水壓致裂實施情況，鉆孔間距應保持在25～30 m，比較合理。

3) 水壓致裂開始，初始壓力達到峰值壓力后，可保持一定時間恒壓，證明預裂有效。

5 結 論

1) 與爆破放頂技術相比，水壓致裂工藝簡單，成套裝備操作簡便，且可多次使用，后期施工投入費用少，單孔控制距離遠，施工安全。

2) 鉆孔的間距、深度、封孔深度是能否成功預裂頂板的關鍵，具體參數應根據現場頂板巖性確定。

[1] 鄧廣哲,王世斌,黃炳香.煤巖水壓裂縫擴展行為特性研究[J].巖石力學與工程學報，2004(20)：3489-3493.

[2] 黃炳香.煤巖體水力致裂弱化的理論與應用研究[D].中國礦業大學，2009.

[3] 孫守山,寧 宇,葛 鈞.波蘭煤礦堅硬頂板定向水力壓裂技術[J].煤炭科學技術，1999(2):55-56.

[4] 李杭州,張恩強.堅硬煤層注水預裂水壓力計算[J].西安科技學院學報，2002(4):388-391.

[5] 王愛國.同忻礦特厚煤層堅硬頂板水壓致裂技術[J].煤礦安全，2015(3):54-57.

Application of Hydraulic Fracturing Technology with Hard Roof in Yanzishan Coal Mine

LI Shaobo

The roof of the No.8403 working face in Yanzishan Mine is very hard, and the blasting method was conducted for roof pre-cracking in the initial mining, but the effect is not good. So, the adjacent work face of No.8401 introduced the hydraulic fracturing technique from China Mining University, compared with in the No.8403 surface where the blasting was used, the hydraulic fracturing technique used in the No.8401 work face represent good results with roof caved 15 m forward. The experimental results show that the hydrocracking technique has the advantages of good pre-cracking effect and more far distance for single-hole control, and can gradually replace the traditional blasting.

Hydraulic fracturing; Hard roof; Hole arrangement; Goaf

2017-02-27

李少波(1987—)，男，山西大同人，2012年畢業于中國礦業大學，助理工程師，主要從事礦井技術管理工作

(E-mail)903856174@qq.com

TD823.85

B

1672-0652(2017)04-0036-03