西曲礦堅硬頂板水力預裂技術應用與研究

于 磊

（安徽省地質礦產勘查局313地質隊，安徽 六安237000）

0 引言

目前，西曲礦主要開采8號煤層，工作面直接頂為厚度較大的堅硬石灰巖。生產中工作面經常出現懸頂面積大、漏風嚴等情況，存在危險隱患。鑒于下組8號煤層埋藏較深，回采期間上隅角瓦斯濃度較大，綜合考慮各種強制放頂方法的特點，最后確定將水力預裂控制技術應用于8號煤層工作面的初采初放及回采期間，以達到控制石灰巖頂板垮落距離，減少采空區巷道漏風，降低上隅角處瓦斯濃度的目的。

1 18402工作面概況

1.1 工作面位置

18402工作面地表位于原南坪村西部，永樹曲村東部，新建村北部。工作面井下位于南四盤區南部，西鄰永樹曲村，東部為南983運輸大巷，南部已回采的18401工作面，北部為已回采的18403工作面。工作面上覆4號煤14401、14402采空區，層間距為52～60 m；2.3號煤12402、12403采空區，層間距為42～70 m。

1.2 工作面地質情況

根據掘進資料、上組煤開采資料及相鄰工作面開采資料綜合分析，預計回采時會揭露5條落差為0.8～2.2 m的正斷層及陷落柱E1422（52 m×27 m）、陷落柱E1451（14 m×11 m）的影響，對回采有影響。受斷層、陷落柱影響，構造附近頂板節理、裂隙發育。另外，根據周邊工作面開采資料分析，預計該工作面不會受到火成巖侵入以及沖刷帶、煤層分叉等對煤層開采有影響的因素。

1.3 工作面煤層情況

工作面所開采煤層為石炭系上統太原組8號煤，煤層厚度為3.80～4.38 m，一般厚度4.15 m，煤層整體傾向西南，傾角2°～7°，平均4°。8號煤層工業牌號為焦煤，發熱量28.18 MJ/kg。原煤灰分26.62%，揮發分19.53%，硫分2.31%。

1.4 工作面瓦斯情況

根據《山西焦煤集團西山煤電股份有限公司西曲礦7、8、9號煤層瓦斯基本參數測定報告》，8號煤層回采期間相對瓦斯涌出量為1.66 m3/t，其中開采層為1.16 m3/t,鄰近層為0.5 m3/t。18402工作面按日產4 000 t，預計絕對瓦斯涌出量為4.61 m3/min。

1.5 工作面巷道構成

18402工作面傾斜長為218 m，可采走向長度為583 m。采用U型通風系統，其中副巷擔負工作面運料、進風、行人、生產電纜敷設等任務，正巷擔負工作面運煤、回風、行人、生產電纜敷設等任務，及運行切眼裝備運輸機、采煤機、液壓支架等設備。

18402工作面煤層頂底板情況見表1。

表1 18402工作面頂底板情況表

2 水力預裂控制技術應用

18402工作面直接頂厚度為1.50～3.50 m的石灰巖，其抗壓強度為102.74 MPa，軟化系數為1.42，普氏硬度系數為10.56，抗拉強度為13.52 MPa。根據以往南四盤區8號煤層工作面回采情況，初采初放期間工作面回采50 m時，石灰巖頂板仍不能及時垮落。此外，根據工作面瓦斯情況，預計回采期間上隅角瓦斯濃度較大。如若采用深孔爆破等方法對石灰巖頂板進行強制放頂，會對現場工作面回采帶來潛在隱患。綜上分析，在初采初放期間應用水力預裂的技術，控制石灰巖頂板垮落距離，減少工作面采空區巷道漏風，降低上隅角處瓦斯濃度，并在回采過程中對正、副巷兩端頭進行頂板水力預裂，減小端頭懸頂距離。

2.1 初采初放期間

在18402整個切眼及兩巷30 m范圍內進行水力壓裂。受陷落柱的影響，切眼內從距離副巷50 m處開始施工水力壓裂孔，每15 m施工1組鉆孔，50～155 m范圍內每組鉆孔施工2個（孔A和孔B），共施工7組（14）鉆孔；155～213 m范圍每組鉆孔施工3個（孔A、孔C、孔D），共施工5組（14）鉆孔；副巷布置4個鉆孔。累計布置32個鉆孔。

預計水力壓裂后，石灰巖頂板的初垮步距為30 m左右。在切眼內每隔15 m布置1組鉆孔（10臺支架的寬度），共布置14組鉆孔，每組包括3個，分別為孔A、孔B、孔C，呈三花布置。因為對于工作面初采初放，對于頂板的斷裂點的控制重點考慮3個位置：①開切眼的位置，如鉆孔A（距離切眼后方煤壁0.5 m）；②預計的初放的斷裂點的中點位置，如鉆孔B（距離切眼后方煤壁15 m）；③預計的初放的斷裂點的前端位置，如鉆孔C（距離切眼后方煤壁30 m）。

從距離副巷50 m點位置開始，在切眼布置鉆孔A平行于切眼、由副巷朝向正巷施工，鉆孔間距15 m，鉆孔仰角為45°，長度為25.5 m。

在切眼布置鉆孔B垂直于煤壁向前施工，鉆孔仰角為50°，長度為23 m。

在切眼布置鉆孔C與切眼呈25°方位角施工，鉆孔仰角為45°，長度為25.5 m。

在切眼布置鉆孔D垂直于煤壁向前施工，鉆孔仰角為45°，長度為25.5 m。

在副巷布置2組（4個）鉆孔，呈三花布置：孔E貼副幫0.5 m施工，開孔位置均在工作面煤壁前方5 m，平行于巷道朝向采空區施工，鉆孔仰角為45°，鉆孔長度為25.5 m；孔F貼正幫0.5 m施工，開孔位置均在工作面煤壁前方12.5 m，與巷道方向方位角為10°，鉆孔仰角為45°，鉆孔長度為25.5 m。

鉆孔A、B、C、D、E、F直徑均為60 mm，每個孔壓裂5～8段，每段的壓裂時間控制在30 min。18402工作面初次放頂水力預裂鉆孔布置如圖1所示。

圖1 工作面初次放頂水力預裂鉆孔布置示意圖

2.2 回采過程副巷端頭

副巷端頭懸頂水力預裂控制技術方案如圖所示，在18402副巷施工鉆孔并壓裂。每隔10 m布置1組鉆孔，分別為孔A、孔B，鉆孔呈三花布置。鉆孔A貼煤柱幫平行巷道向采空區方向施工，開孔位置距離巷幫300 mm，仰角為45°，鉆孔長度12.5 m；鉆孔B貼工作面幫平行巷道向采空區方向施工，開孔位置距離巷幫300 mm，仰角為45°，鉆孔長度11.5 m。鉆孔A、B直徑均為60 mm，每個鉆孔壓裂3～4段，2段之間的間距平均為3～4 m，具體見圖1，每段的壓裂時間控制在25～30 min。18402副巷端頭懸頂水力預裂鉆孔布置如圖1所示。

圖2 副巷端頭懸頂水力預裂鉆孔布置示意圖

2.3 回采過程正巷端頭

正巷端頭懸頂水力預裂控制技術方案如圖3所示，在18402正巷施工鉆孔并壓裂。每隔8 m布置1組鉆孔，分別為孔A、孔B，鉆孔呈三花布置。鉆孔A貼煤柱幫豎直向上施工，開孔位置距離巷幫300 mm，鉆孔長度為8 m；鉆孔B貼工作面幫施工，開孔位置距離巷幫300 mm，鉆孔長度為9 m。鉆孔A、B直徑均為32 mm或42 mm（優先選用42 mm孔徑），每個鉆孔壓裂3～4段，2段之間的間距平均為3～4 m，每段的壓裂時間控制在25～30 min。18402正巷端頭懸頂水力預裂鉆孔布置如圖1所示。

圖3 正巷端頭懸頂水力預裂鉆孔布置示意圖

為了增加水力預裂過程中裂縫的數量，需采用大排量壓裂泵，泵的排量確定為120 L/min。由于灰巖頂板的強度較高，現場采用額定壓力63 MPa的高壓泵。

3 水力預裂控制技術效果分析

為檢驗水力預裂現場應用效果，采用鉆孔窺視的方式對水力預裂后的鉆孔進行窺視，其結果如圖4所示。

圖4 水力預裂鉆孔窺視圖

對圖4進行分析可以得出，采用水力預裂之后，受到高壓水壓影響，壓裂鉆孔在孔深3～4 m和7～8 m的范圍內均可以出現顯著的豎向導通裂隙，其平均寬度約4 mm，水壓預裂控制技術取得顯著應用效果，可以切斷堅硬石灰巖頂板，從而達到使其及時垮落，減小端頭懸頂距離，減少工作面采空區巷道漏風，降低上隅角處瓦斯濃度的目的。

4 結論

綜合分析西曲礦18402工作面堅硬頂板實際情況之后，將水力預裂控制技術應用于工作面初采初放及回采期間，通過鉆孔窺視的方式檢驗水力預裂現場應用效果，窺視結果顯示水力預裂使得鉆孔內出現顯著的豎向導通裂隙，取得良好的經濟技術效果。工作面在初采初放期間回采到約30 m時，石灰巖頂板及時斷裂垮落，并且工作面在整個回采期間也未出現瓦斯超限警報的情況，有力地保證了工作面的安全高效回采，可以將水力預裂控制技術推廣到礦井其他類似條件的8號煤層工作面當中。