石港煤業15203綜放面堅硬頂板水力壓裂技術研究

劉麗俊

(山西石港煤業有限責任公司，山西 晉中 032600)

綜放開采具備開采效率高、人員成本低、巷道系統布置簡單等諸多優勢，現已逐步成為我國特色的先進采煤方法之一[1]。但由于地質條件限制，厚煤層綜放開采時，頂煤能否有效放出是安全開采的關鍵，如果頂板條件堅硬，底煤開采后頂板及上方堅硬頂板難以垮落，造成工作面懸頂距離過大，一旦垮落，容易產生工作面冒頂事故，嚴重危及作業人員生命安全。對此，大量學者進行了相關研究：高魁等[2]通過理論分析和數值模擬的方法，研究了深孔預裂爆破的頂板破碎機理，結果表明，深孔預裂爆破產生的爆破沖擊波能夠使孔周圍的巖體裂紋進一步擴展并發生位移，孔周圍的應力重新分布，使得頂板垮落較未爆破前更為容易；索永錄等[3]研究得出，頂煤弱化使頂板活動范圍加大，頂板破斷距離減小，頂煤垮落角增大，垮落的巖塊整體性較差，冒落形態近似呈柱狀；張亮等[4]通過關鍵淺埋煤層頂板大面積懸頂力學模型，得出淺埋煤層堅硬頂板是否需要實施預裂爆破的判斷依據，同時提出強制放頂的合理高度確定方法；趙晉軍[5]通過數值模擬方法確定了工作面頂板存在大面積懸頂問題，同時提出超前深淺孔相結合的松動爆破技術，對工作面堅硬頂板進行弱化，取得了良好的效果；杜春志[6]通過結合實驗室測得的煤巖體力學參數，構建了煤巖體損傷本構關系，結合煤巖體裂隙擴展過程，得出里裂隙擴展長度估算公式。

堅硬頂板放頂煤頂板爆破弱化方法已得到廣泛應用，但爆破過程操作風險大，且爆破釋放的一氧化碳、瓦斯容易使工作面有害氣體積聚程度高，危險性較大，而水壓致裂方法摒棄了上述缺點，通過注水弱化煤巖體的方法，實現對工作面上方堅硬頂板的弱化，取得了良好的效果。為此，本文以石港煤業15203工作面為背景，對水力壓裂弱化工作面上方堅硬頂板進行研究。

1 工程概況

石港煤業15203工作面平均埋深520 m，工作面走向長度756 m，傾向長度155 m，煤層平均厚度7.15 m，平均傾角6°，屬近水平煤層，煤層賦存穩定，一般含2層夾矸，節理發育，具體頂底板巖性見表1。

工作面采用綜采放頂煤采煤法，由于煤層基本頂巖性為灰巖，頂板自身強度較高，且普遍致密，導致工作面上方頂板難以垮落，根據15203工作面的鄰近工作面開采經驗，初次來壓步距基本在35 m左右，周期來壓步距基本在14 m左右，工作面上方頂板大面積懸頂，冒頂風險較大。

表1 15203工作面頂底板巖性

2 理論分析

水力壓裂技術是目前我國煤礦對堅硬頂板實施弱化的重要方法之一，已得到廣泛應用。通過注水弱化工作面上方的堅硬頂板，不僅能使頂板原本存在的主裂隙進一步擴展、破碎巖塊，同時能夠改變巖體內部本身的力學狀態，使巖體內部應力重新分布，降低巖體強度，進而隨著工作面采動應力的影響，輔助頂板進行垮落，達到減少工作面懸頂面積，降低工作面冒頂風險的目的。水力壓裂產生的裂紋主要受以下四個方面影響：

1) 裂紋擴展形狀。在進行水力壓裂過程時，水力壓裂產生的裂紋主要包括橫縱裂紋兩種。橫向裂紋的產生是由于水力壓裂鉆孔布置方式與最小水平主應力保持一致，而當鉆孔布置方式沿最大水平主應力方向布置時，則產生縱向裂紋，但是，無論產生的裂紋方向是什么，最初的裂紋擴展方向均垂直于最小主應力，裂紋分布如圖1所示。

圖1 水力壓裂裂紋分布示意

2) 裂紋擴展方向。水力壓裂的裂紋擴展方向一般會發生反轉，即不會沿著裂紋的產生方向進一步擴展，而是向著逐漸偏離原始裂紋的方向進行擴展，以橫向裂紋為例，裂紋在擴展過程中會逐漸偏離原始裂紋方向，受拉伸作用及剪切作用，裂紋內部的縫隙會逐漸減小，同時造成注入的水壓力增大，阻止裂紋向前方持續擴展。

3) 裂紋擴展數量。當水力壓裂產生的裂紋擴展時，原先的主裂紋會逐步出現分散的裂紋，且裂紋分支之間一般近似平行且部分貫通，但由于其尺寸均小于主裂紋尺寸，裂縫內部水壓較大，阻止其繼續擴展，為了滿足水力壓裂的條件，需要對裂紋在一定范圍內進行集中。

4) 裂紋擴展速度。裂紋擴展的過程一般不會一直持續，而會出現間斷停止現象。在裂紋停止擴展期間，裂紋內部流體速度降低，當使用非水壓致裂液時，會出現沉降現象，進而難以達到水壓致裂效果，所以，使用清水可一定程度降低沉降，提高水壓致裂效果。

上述分析結果表明，水力壓裂施工過程中需要考慮水壓孔布置距離及水力壓裂產生的效果影響范圍，在實際施工過程中，先以經驗值取水壓鉆孔間距30 m、水力壓裂鉆孔影響半徑20～30 m進行施工，通過觀測巷道內部頂板淋水情況，定性確定水壓致裂產生效果，如效果尚未明朗，則可通過進一步增加鉆孔數量以達到水壓致裂的目的。

3 現場工業性試驗

3.1 鉆孔布置

鉆孔位置的確定需要綜合考慮工作面上方頂板的圍巖應力狀態，由于臨近工作面時，工作面上方頂板受工作面采動影響，應力分布狀態較為復雜，而超前工作面一定范圍內，巖體內部應力狀態基本保持在原巖應力狀態，結合石港煤業15203工作面實際工程背景，擬確定在超前工作面70 m處實施水力壓裂技術，考慮15203工作面實際傾角為6°左右，擬通過布置A、B兩類鉆孔實施水力壓裂技術，其中A類為長鉆孔，B類為短鉆孔，鉆孔布置如圖2所示，A類孔布置在運輸巷，鉆孔實際長度95 m，間距30 m，傾角18°，B類孔布置在回風巷，鉆孔實際長度19 m，間距30 m，傾角15°。

圖2 鉆孔布置

3.2 施工工藝

在進行水力壓裂弱化頂板之前，先安排作業人員提前布設水力壓裂鉆孔，鉆孔布設參數確認無誤后開始進行水力壓裂。水力壓裂過程中，先使用高壓水進行沖孔，沖孔完畢后將切槽鉆頭、封孔器、注水管、高壓水鋼管等緩慢布入孔底，然后封孔，封孔完畢后打開切槽鉆頭，固定好切槽鉆頭后開始緩慢注水加壓，加壓期間持續觀測孔內壓裂情況并實時記錄，當頂板有水涌出即可證明水壓致裂完成。

每個A類孔自孔底開始注水，直至鉆孔端部，每孔注水重復5次，注水位置參數如表2所示。

表2 A類孔注水深度

每個B類孔自孔底開始注水，直至鉆孔端部，每孔注水重復5次，注水位置參數如表3所示。

表3 B類孔注水深度

3.3 水力壓裂礦壓顯現規律

選取相鄰工作面礦壓規律與15203工作面試驗段礦壓規律進行對比，對比結果如圖3所示。由圖3可知，鄰近工作面在未實施水力壓裂技術時工作面初次來壓步距35 m，周期來壓步距14 m；15203工作面實施水力壓裂后初次來壓步距26 m，周期來壓步距9 m，與未進行水力壓裂相比，實施水力壓裂技術后，工作面初次來壓步距減小9 m，周期來壓步距減小5 m，大幅減小了工作面懸頂面積，有效減低了工作面冒頂風險。

圖3 水力壓裂前后工作面礦壓分布規律

4 結 語

1) 理論分析結果表明，水力壓裂弱化煤巖體主要包括裂紋擴展形狀、裂紋擴展方向、裂紋擴展數量、裂紋擴展速度等方面，在弱化煤巖體時應當在施工過程中防止弱化液沉降以保證裂紋擴展效果。

2) 現場試驗結果表明，水力壓裂弱化頂板煤巖體后，頂板初次垮落步距縮短了9 m左右，周期來壓步距縮短了5 m左右，有效降低了工作面垮落步距，解決了堅硬頂板大面積懸頂的難題。