煤礦頂板注高壓水預裂技術淺析

左明

摘 要 針對目前煤礦冒頂現象，通過對堅硬頂板巖石應力的分析，采用對堅硬頂板注高壓水預裂技術，使其容易及時自然垮落，減少冒頂現象的發生，確保煤礦安全生產。

關鍵詞 堅硬頂板 高壓注水 致裂頂板

中圖分類號：TD823 文獻標識碼：A

1注高壓水預裂頂板技術原理及優點

1.1技術原理

水力壓裂作為經濟、安全、高效的堅硬頂板控制技術，已在我國部分煤礦得到了驗證，成為我國煤礦堅硬難跨頂板控制的有效手段。我國眾多學者對其機理進行了研究，表明注高壓水預裂頂板可定向壓裂頂板巖層、破壞頂板巖層的完整性，進而減弱頂板的強度和一體性，使采后頂板能夠按需求及時垮落，縮短初次來壓時間和周期來壓的步距，從而達到降低或者基本消除頂板堅硬巖層對回采工作面帶來的危害。

鑒于水力壓裂可削弱巖層的整體性和穩定性，采用注高壓水進行頂板預裂技術，通過水力壓裂的作用：（1）使工作面堅硬頂板能夠及時垮落，避免形成懸臂，從而達到巷道卸壓、緩解片幫和底鼓的目的；（2）通過人為的方法使工作面頂板及時垮落，將巷道附近的高壓力轉到自承能力未受到削弱的煤或巖體的內部，降低巷道周圍附近的應力，達到使巷道處于低壓力區的目的。同時，水力壓裂技術具有安全性高、工程量小、成本低及適應性強（如高瓦斯礦井）等特點。

1.2技術優點

注水孔施工過程中，能增大煤層的透氣性、破壞堅硬頂板整體性，因此在厚煤層開采時，可以較好的解決放頂煤困難及頂板冒落難等技術難題；同時在注水孔施工過程中，也同時能降低工作面煤層中瓦斯的壓力，起到釋放瓦斯的功效；并且，頂板注高壓水后部分水分也會滲道煤層中，起到降低粉塵的作用。現在煤礦企業在工作面進行回采前基本都會對工作面煤層施工注水鉆孔，對煤層進行預注水，以人為增大煤層水分含量，以便降低回采時的產生的煤塵。高壓水注水孔的施工原理與煤層注水鉆孔施工原理基本一致，因此，施工起來較為便利，基本沒有難度。

2注高壓水壓裂工藝

根據下式可計算裂縫起裂壓力：

Pb=3 min max+ t

計算過程中要考慮裂紋擴展過程中的損失、變向及多縫擴展及考慮一定的富裕系數，來確定高壓注水泵的壓力及流量。設備選型完成后，根據所選設備進行現場安裝及調試：

封孔器的安裝：連接安裝封孔器，然后對封孔器進行排氣、試壓，保證封孔器正常運行，手動泵和儲能器通過高壓膠管與封孔器連接，連接處“O” 型密封圈密封。

在高壓膠管和注水鋼管相連處安裝水壓儀。

設備調試完成后，注高壓水預裂具體施工工藝如下：

（1）前序預備工作結束后，連接注水鋼管將封孔器推送至預裂縫處，封孔、注水壓裂采用倒退式壓裂法，即從鉆孔底部開槽處向外依次進行壓裂；

（2）手動泵加壓封孔器，待壓力達到預定壓力后停止加壓，觀察鉆孔并監測壓力表，檢驗封孔器能否保壓，如不保壓，重新檢查可能漏氣的環節，以確保封孔器正常工作；

（3）開啟水壓儀，高壓水泵先通水后通電再加壓，同時記錄水泵壓力表數據及手動泵壓力表數值，一直加壓直到預裂縫開裂，局時壓力表數值會突然下降，保壓注水使裂紋繼續擴大，待頂板、煤幫或鉆孔中有水滲出時，停止壓裂；

（4）預裂工作結束后，注水泵先斷電再停水，再對封孔器進行泄壓，最后退出鉆孔，并利用觀察設備觀察壓裂效果。

3注高壓水壓裂的技術要求

開始施工前各種設備要連接無誤；鉆孔和水力壓裂采用平行作業施工；鉆孔完成后用靜壓水沖洗鉆孔，然后開始下一鉆孔；施工鉆孔鉆進過程中，若頂板有大量水流出，停止鉆進。

（1）定向水力壓裂技術要求完成鉆孔的軸線近似為一條直線，要求在鉆進過程中盡量降低鉆進速度，減小鉆機進給力；

（2）開槽處需選擇頂板完整段。開槽過程中，當開槽鉆頭到達鉆孔底部時，減小鉆機進給力，使開槽刀片緩慢張開，避免開槽鉆頭受到沖擊；開槽需徹底，開槽刀片完全張開并切割鉆孔后方可停止；

（3）封孔器分隔段必須為鉆孔預開槽段及巖層完這段；

（4）定向水力壓裂采用倒退式壓裂法，即從鉆孔底部向孔口逐次壓裂；

（5）壓裂過程中，保證一定的注水時間，確保壓裂、軟化充分，同時安排專人檢查壓裂孔周圍頂板，當有大量水從頂板中流出時，停止壓裂；

（6）壓裂前拉警戒線，檢查接頭部位密封情況，確保無誤后方可開始壓裂；

（7）壓裂過程中，嚴禁人員從壓裂鉆孔前通過，以防注水管從鉆孔中穿出傷人。

4注高壓水壓裂的安全措施

（1）生產科安排專人對施工現場的工程質量進行監督檢查，并做好隱蔽工程施工記錄；

（2）施工過程嚴格執行《煤礦安全規程》的有關規定；

（3）施工時，各工序之間要嚴密組織，人員操作默契配合，嚴防意外事故發生；

（4）采掘工作面及其他作業地點風流中、電動機或其開關安設地點附近20m以內風流中的瓦斯濃度達到1%時，必須停止工作，切斷電源，撤出人員，上報并進行處理；

（5）壓裂時，人員遠離注水孔口，防止高壓水或注水管傷人；

（6）啟動鉆機前，操作人員應通知所有人員注意安全，仔細檢查電路電纜，檢驗漏電保護裝置狀態，檢查鉆機錨固是否牢固，只有在確認人員和設備都安全后，方可啟動鉆機運轉；

（7）鉆機在鉆孔過程中，動力頭嚴禁反轉，只有在加接或拆卸鉆桿時，夾持器夾住鉆桿后才可反轉；

（8）施工壓裂眼過程中，要設專人監護頂板，發現異常立即停止作業。

5結束語

堅硬頂板注高壓水預裂技術，目前在波蘭、澳大利亞被廣泛利用，將來會被廣泛推廣，因為注高壓水預裂煤層頂板適合各種瓦斯等級的礦井，在技術成熟后，將會給煤礦企業帶來福音，為煤礦安全生產提供技術支持。

參考文獻

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部、中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.煤炭工業礦井設計規范[M].北京：中國計劃出版社，2015：19.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉建設部、中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.煤礦井巷工程施工規范[M].北京：中國計劃出版社，2011：8+50-52.

[3] 國家安全生產監督管理總局、國家煤礦安全監察局.煤礦安全規程[M].北京：煤炭工業出版社，2016：21+179-183.