堅硬難垮頂板定向水力壓裂初次放頂技術研究

曹國選，劉成武

（陜西煤業化工集團孫家岔龍華礦業有限公司，陜西 榆林 719314）

0 引 言

綜采工作面存在的堅硬頂板難以垮落問題長期困擾著煤礦井下工作面的安全開采[1]。隨著回采工作面地不斷推進，堅硬頂板將在前方采空區形成大面積的懸頂，如果突然垮落將會造成人員傷亡及設備損壞[2-5]，尤其對于孫家岔龍華礦更加明顯。目前，大多數礦井利用深孔預裂爆破技術提前處理綜采工作面的堅硬頂板，效果顯著。但是，考慮到此技術在井下實施存在安全問題，因此，通過水力壓裂技術解決堅硬頂板垮落問題已在國內外廣泛推廣應用[6]。經過現場試驗實踐證明：水力壓裂能有效地弱化堅硬頂板的強度并破壞其完整性，使采空區頂板逐漸垮落，達到減小或消除堅硬頂板對工作面回采危害的目的，在生產實踐中顯示出良好的技術經濟和社會效益[7-10]。

基于上述背景，本文針對孫家岔龍華礦30203工作面存在的堅硬頂板難以垮落的問題，現場實施定向水力壓裂初次放頂技術試驗研究，以期得到工作面初次放頂管理方法，提升礦井工作面頂板管理水平，并為相似礦井治理堅硬頂板難以垮落的問題提供一定的參考價值。

1 工程背景

陜西孫家岔龍華煤礦30203工作面所采煤層為延安組第三段3-1煤層，該工作面兩順槽煤層實測厚度2.50～3.20m，平均厚2.88m，屬中厚煤層，煤層傾角為1～3°，平均1°，為近水平煤層，夾矸1～2層。煤類以不粘煤（BN31）為主，塊狀、瀝青光澤、條痕為褐黑色、棱角狀、參差狀斷口、條帶狀結構、內生裂隙發育，屬半暗-半亮型煤。老頂為細、粉砂巖，厚度8.12～11.70m，灰色，夾泥質及細粒砂巖薄層，顯示交錯層理，含大量植物化石碎片，夾煤屑。直接頂為長石石英中粒砂巖，厚度為13.7～14.07m，灰白色、以石英為主，分選中等，次棱角狀淡、次圓狀，局部為鈣質膠結、交錯，少量脈狀層理。由礦井現場測試資料顯示：30203工作面頂煤強度平均值約為26.79MPa，粉砂巖巖層強度平均值為58.56MPa，中粒砂巖巖層強度平均值為80.32MPa，屬于典型的堅硬難垮落頂板[11]。

2 堅硬頂板定向水力壓裂控制技術

定向水力壓裂技術是指在施工頂板鉆孔內利用水力割縫技術切割煤體形成預制導向槽，然后，密封鉆孔對其進行水力壓裂，利用預制導向槽引導致裂裂紋發展方向，壓裂和軟化30203工作面煤層頂板，降低頂板強度，從而達到控制頂板災害的發生。定向水力壓裂技術主要包括：割縫、封孔、定向壓裂三項工序。該系統主要由進水管路、高壓水泵、水泵壓力表、蓄存壓裂介質水和油的儲能器、手動泵、手動泵壓力表、快速連接的高壓供水膠管、封孔器等組成[12]，水力壓裂控制煤礦堅硬難垮頂板工藝過程如圖1所示。

圖1 定向水力壓裂控制堅硬頂板巖層示意圖

3 堅硬頂板定向水力壓裂初次放頂試驗

3.1 30203工作面頂板定向水力壓裂初次放頂方案

為減緩在30203工作面回來時初次來壓對液壓支架的破壞，確保初采安全。因此，在工作面切眼進行定向水力預裂初次放頂試驗，鉆孔朝向為工作面推進方向，垂直于工作面切眼上仰布置。如圖2所示。此次，共計施工壓裂鉆孔18個，分別為壓裂鉆孔A和B。壓裂鉆孔A、B交替布置，間距均為10 m，壓裂鉆孔A長度為36 m，仰角25°，壓裂鉆孔B長度35 m，仰角為45°。鉆孔直徑為113 mm，采用水泥砂漿對壓裂鉆孔進行封孔，兩種鉆孔封孔長度均為15 m。

圖2 堅硬頂板定向水力壓裂切眼鉆孔布置示意圖

3.2 30203工作面頂板定向水力壓裂初次放頂試驗效果分析

3.2.1 壓裂時間與壓力關系的分析

在進行30203工作面頂板定向水力壓裂現場工藝時，安裝水壓儀監測詳細的壓力變化情況，壓裂壓力隨時間的變化關系如圖3所示。

圖3 壓裂壓力隨時間變化曲線

由圖3可知：壓裂水壓主要集中在5～20 MPa之間，當壓裂時間為30 min時，壓力較為穩定，說明裂隙已經張開，且再持續加壓30 min左右，可以保證裂隙擴展充分。壓裂效果表明：當壓裂達到一定程度后，頂板巖體開始形成新的裂縫或原生裂隙進一步張開，裂隙一旦張開后，壓力有很小幅度的降低，然后維持在一定壓力水平，如此可使裂縫在30203工作面頂板中擴展一定范圍，降低其頂板巖體的強度，最終，不同深度的鉆孔均實現了巖體的張開破壞，削弱了頂板巖體的完整性。同時，通過對頂板巖體注水也可以達到軟化頂板的作用。此外，進行單孔多次壓裂，附近鉆孔及頂板錨桿、錨索均有水流出，因此，單孔多次壓裂可在頂板中產生多條裂縫并使大量裂隙貫通，有效弱化頂板巖層，使采空區頂板能夠分層、分次逐步垮落，消除難垮頂板產生的危害。

3.2.2 頂板垮落效果分析

30203工作面頂板定向水力壓裂初次放頂試驗結束后，現場觀察與測定其頂板的垮落情況。當試驗完成后，30203工作面在機頭推進了12.6 m，機尾推進了14.5 m時，基本頂開始逐漸地向下垮落，直到工作面機頭推進了23.1m，機尾推進了26.6 m時，基本頂垮落基本完成。同時，通過監測系統對支架應力變化的測試結果可知：當試驗結束后，30203工作面初次來壓步距為24 m。工作面推進過程中，支架壓力處于較穩定的狀態，并無較大的波動情況，頂板初次來壓峰值為5710 kN，其強度較低，工作面上下端頭支架后方基本沒有懸頂狀態。

4 結 論

針對龍華煤礦30203工作面存在的堅硬頂板難以垮落的問題，提出通過定向水力壓裂技術解決堅硬頂板情況下的強礦壓問題，在30203工作面現場工業性試驗結果表明：30203工作面堅硬頂板定向水力壓裂初次放頂試驗完成后，整體效果明顯，降低了其頂板巖體的強度與完整性，頂板初次來壓步距減小，支架壓力無大的波動變化。