水壓至裂技術在18105工作面中應用分析

陳希峰， 衛 偉

(1.山西王家嶺煤業有限公司，山西 忻州 036600；2.山西煤炭運銷集團科學技術研究有限公司，山西 太原 030006)

1 概述

山西王家嶺煤業有限公司18105工作面位于井田北翼，工作面北部為回采區域，東部為18103采空區，南部為盤區大巷，西部為18107工作面(未采)；18105工作面設計全長2 034 m，工作面回采煤層為4#煤層，平均厚度為8.6 m，南北走向，煤層絕大部分含4～6層夾矸，屬于近水平煤層，煤層傾角4°～9°，平均傾角為6.5°左右。

18105工作面老頂為中粒砂巖和粗粒砂巖，厚度16.6 m～25 m，平均厚度20.8 m，直接頂為泥巖和砂質泥巖，厚度1.4 m～2.0 m，平均厚度1.7 m。直接底以高嶺質泥巖、泥巖和砂質泥巖為主，厚度0.2 m～1.6 m，平均厚度0.9 m，老底為中粒砂巖和粗粒砂巖，厚度3.6 m～5.8 m，平均厚度4.7 m。

為生產和通風便利，王家嶺煤礦回采面均采用兩進一回布置巷道，其中一條進風巷即輔運順槽留做下一個工作面的回風巷，由于回采面的側向支承壓力作用，會導致輔運順槽礦壓劇烈顯現，從已回采的18101和18103工作面來看，其輔運順槽留巷均極為困難，為了保證18105工作面運輸順槽留巷效果，決定對工作面頂板采用水力至裂技術[1]。

2 水力至裂施工設備

18105工作面頂板采取的水力至裂施工主要包括至裂孔施工、封孔、高壓水壓裂施工以及注水保壓施工當個環節；水力至裂施工設備主要包括著靜壓水管路、高壓水泵、注水鋼管、儲存器、封孔器注水管、流量水壓監測儀、供水膠管以及封孔器等部分組成。18105工作面水力至裂施工剖面圖，如圖1所示。

圖1 18105工作面水力至裂施工剖面示意圖

1) 環形封孔器：環形封孔器主要由封隔器膠筒和中心管兩部分組成，封隔器膠筒與中心管之間形成封堵空間，中心管注入水后膨脹，并向壓裂孔壁進行擠壓，從而達到封壓裂段的目的。

2) 高壓水泵：采用MTY-25型高壓注水泵，注水泵電機功率為85 KW，額定電壓為660 V，注水額定壓力為65 MPa，油泵流量為87 L/min，高壓水泵兩端分與靜壓水管以及注水鋼管連接。

3) 供水管路：高壓注水膠管直徑為35 mm，膠管外部為鋼絲網包裹，膠管最大承載壓力為90 MPa；注水鋼管為高錳鋼材質，直徑為35 mm，注水鋼管與膠管之間采用角閥絲扣連接[2]。

4) 流量水壓監測儀：18105工作面頂板水壓至裂施工時采用KJ327-F型流量水壓監測儀進行數據采集、流量記錄以及變化曲線分析等，并及時將數據傳送機遠程主機系統內，該設備具有體積小、應用性強、性能穩定等優點，被廣泛應用。

5) 封孔器注水管：封孔器注水管一段與儲能器連接，另一端與封孔器連接，注水管直徑為16 mm；儲能器內儲存介質水，通過高壓作用介質水進入封孔器環形空間內使封孔器膨脹。

3 水力至裂施工工藝

3.1 技術原理

水力壓裂技術是指在環形封堵空間內通過高壓水作用，使封堵空間巖體壁產生裂隙，從而削弱、軟化煤巖體整體強度，工作面回采后在采空區應力作用，頂板沿至裂處充分垮落，從而縮短了初次來壓和周期來壓步距，縮小采空區懸板面積，從而達到達到減小或消除堅硬難垮頂板對工作面回采危害的目的。

3.2 水力至裂施工工藝

1) 18105工作面水力至裂施工在膠帶順槽內里程1 700 m～500 m處，施工長度大約1 200 m，鉆孔沿順槽軸向方向布置，鉆孔與順槽夾角5°～10°，孔間距為10 m，鉆孔長度40 m，傾角50°。18105工作面頂板水力至裂鉆孔剖面圖，如圖2所示。

圖2 18105工作面頂板水力至裂鉆孔剖面示意圖

2) 至裂孔采用倒退式壓裂方式，每隔3.0 m壓一次，初步確定壓裂范圍為從距離孔口12 m到孔底。壓裂施工期間根據巖體特性、應力范圍等合理確定壓裂范圍，在正常情況每次壓裂時間不得低于20 min，鉆孔施工與壓裂施工同步進行時水平間距不得低于30 m[3]。

3) 水力至裂鉆孔應采用保徑鉆桿進行施工，在鉆進過程中應確保鉆進力度均勻，確保鉆孔后鉆孔軸線為一條直線。

4) 水力至裂施工前應對高壓水泵進行全面檢查，至裂過程中應先通水后通電，高壓水泵第一次使用時每30 h進行一次潤滑油更換，后期每200 h進行一次更換即可。

3.3 水力至裂技術特點

1) 成本費用低：通過統計分析發現，18105工作面每個鉆孔至裂施工時間為3.5 h，每個鉆孔至裂施工成本費用為420元；而傳統爆破至裂施工，每個鉆孔用時為4.2 h，鉆孔成本費用為870元，由此可見水力至裂相比傳統至裂施工成本費用低，工時短。

2) 實用性強：傳統爆破至裂施工對工作面施工條件要求相對苛刻，如瓦斯濃度、通風量、頂板裂隙情況等，在相對復雜地段實用性相對較差；而水力至裂技術對施工環境要求低，安全性好，不受工作面瓦斯濃度、風量等影響。

3) 至裂效果好：傳統爆破至裂主要通過引爆火藥產生高壓沖擊波對孔壁巖體進行定向至裂作用，使得鉆孔壁巖體產生裂隙，但是在此期間爆破沖擊波同樣會對頂板產生破壞作用，降低了頂板穩定性；而水力至裂施工屬于一個緩慢過程中，通過水壓作用滲透至裂隙巖體內從而產生至裂作用，對頂板穩定性影響小，且水體滲透力強至裂效果好[4-5]。

4 結語

截止目前18105工作面已回采700 m，18105運輸順槽共計施工65個水力至裂孔，通過對工作面頂板采取水力至裂施工后，發現工作面回采后采空區頂板得到充分垮落，且運輸順槽頂板預留效果好，未出現運輸順槽頂板出現大面積破碎、下沉現象，位于至裂孔側頂板出現局部破碎現象，通過安裝擋矸裝置后頂板得到有效控制，取得了顯著應用成效。