綜放工作面初采水力預裂弱化頂板技術實踐

楊亞超 張利軍 劉宏煜

（晉能控股煤業集團趙莊二號井，山西 長治 047100）

頂板安全事故長期困擾著我國煤礦安全生產，嚴重影響工作面生產效率的提升[1-2]。由于工作面初采期間頂板不易垮落，對工作面初采安全影響重大，必須進行處理。結合趙莊二號井實際情況，計劃采用高壓水預裂技術弱化處理工作面頂板[3-4]。

1 工作面地質資料調查

趙莊二號井2309工作面開采3號煤層，煤層平均厚4.2 m，傾角平均為2°，埋深約500 m。煤層頂板結構較為復雜，由砂質泥巖、粉砂巖等組成。砂質泥巖厚10.56 m，強度中等；粉砂巖厚3.28 m，致密堅硬。工作面采用綜采放頂煤開采，采高2.5 m，放煤高度1.7 m，采面長160 m，回采長約1500 m。工作面切眼尺寸為7.4 m×3.2 m，掘進面積23.68 m2。

2309工作面北部為礦界，東部和西部均為采空區，南部為采空區。工作面初采期間頂板三面處于固支狀態，加之砂質泥巖和粉砂巖頂板完整性好且頂板厚度較大，工作面初采期間不放頂煤，以及切眼巷道頂板支護強度較高等因素共同作用，工作面初采期間頂板不易垮落，初次來壓步距長，必須進行頂板弱化處理，減小來壓步距。

2 壓裂參數確定

2.1 壓裂壓力分析

地應力是確定壓力參數的重要依據，趙莊二號井做過多次地應力測試，通過分析趙莊二號井以往地應力資料，可知2309工作面回采區域為中等應力區域，并且以水平應力為主。最大水平應力方向為北偏東26°，水平應力最大值為15.2 MPa，最小值為8.1 MPa，垂直應力為11.9 MPa。結合頂板巖性分析，初步確定趙莊二號井水力預裂頂板壓力為25 MPa，試驗過程中根據現場情況進行調節。

2.2 壓裂深度分析

壓裂深度是保證壓裂效果的重要參數，確定合理的壓裂深度需結合工作面開采參數以及三帶高度進行分析。初采水力預裂弱化頂板，從而減小初采來壓步距，故水力壓裂高度應達到老頂位置，即必須達到工作面上三帶中的裂隙帶位置。故依據裂隙帶老頂巖梁計算公式進行計算，根據2309工作面開采參數及頂板巖層參數計算可知，第四層7.96 m的砂巖為裂隙帶巖層，故此計算可知，初采期間水力壓裂高度不小于30 m。

2.3 頂板巖層結構觀測

為了選擇合理的水力壓裂位置，需對頂板巖層結構進行觀測評估。采用鉆孔窺視的方法，對工作面切眼區域頂板巖層結構進行窺視。通過窺視，掌握了頂板巖層的裂隙發育情況，煤層頂板上部的砂質泥巖、粉砂巖、泥巖、砂巖等巖層結構均較為完整，除泥巖和砂巖交界面存在短裂隙外，無明顯的裂隙聯通情況。故此確定間隔3 m，在粉砂巖、砂巖等巖層完整區域進行壓裂，以破壞其巖層完整性，達到弱化頂板的目的。

3 水力壓裂方案設計及施工工藝

3.1 方案設計

2309工作面切眼寬度為7.4 m、高3.2 m、長160 m。由于初采期間工作面頂板處于三向固支狀態，因此，確定在工作面切眼老塘側布置一排鉆孔切斷后方頂板，在工作面側布置一排壓裂鉆孔弱化前方頂板，同時在工作面切眼端頭布置鉆孔，以切斷端頭頂板。鉆孔布置具體參數如圖1。

圖1 水力預裂鉆孔布置示意圖

（1）老塘側鉆孔。在工作面切眼頂板距老塘側巷幫1.5 m處施工一排切頂鉆孔，該鉆孔朝向老塘后方，按仰角75°～80°施工，鉆孔直徑75 mm，孔深32 m，鉆孔間距10 m，共計施工16個鉆孔。

（2）工作面側鉆孔。在工作面切眼頂板距工作面側巷幫1 m處施工一排鉆孔，鉆孔朝向工作面切眼煤壁前方，仰角45°，鉆孔直徑同樣為75 mm，孔深45 m，鉆孔間距10 m，共計施工14個鉆孔。

（3）端頭鉆孔。在工作面切眼實體煤側布置2個鉆孔，在距端頭側巷幫2 m位置，朝向工作面端頭側巷幫施工，仰角75°～80°施工，鉆孔直徑為75 mm，孔深32 m，間距10 m。

3.2 壓裂參數

水力預裂采用后退式施工，由內向外每隔3 m壓裂一次。為了保證巷道安全，在頂板支護范圍內（即孔口8 m）不進行壓裂，每次壓裂時長不少于20 min，初始壓裂不小于25 MPa，后期根據試驗情況進行調整。

3.3 壓裂工藝

實施水力壓裂，需現窺視鉆孔內巖層結構，確定壓裂位置，在壓裂位置采用開槽鉆頭進行開槽。鉆孔施工完畢后，安裝雙向封孔器，由內向外，在開槽位置進行壓裂。封孔和壓裂工藝如圖2、圖3。

圖2 封孔系統連接示意圖

圖3 高壓注水系統連接示意圖

4 工業試驗及效果分析

4.1 井下試驗

現場實施過程中，首先按照設計方案施工水力壓裂鉆孔，之后安裝工作面支架。由于礦井生產銜接調整，在工作面安裝支架完畢3個月后才進行工作面試生產。因此，為了保證初采放頂效果，初采期間對工作面兩端頭順槽30 m范圍內的巷道頂板錨索進行了退錨處理。

4.2 壓裂壓力監測

在水力預裂過程中，對水壓進行了監測分析，如圖4所示。由圖4可知，每次壓裂初期壓裂值較高，起裂壓力較大，但在起裂后裂紋逐步擴展，之后水壓較為平穩呈密集鋸齒狀，可見在恒定壓力下裂紋不斷地進行擴展。部分時間段水壓存在波動，甚至出現劇烈變化，體現了巖層的不均勻性，以及結構面、地應力等對巖體的影響。

圖4 壓裂壓力曲線

4.3 工作面垮落情況分析

2309工作面于2018年11月8日進行初采，11月11日早班，回采進度累計2.4 m，支架后全部垮落；11月13日早班，回采進度累計4.9 m，1～4#架后1 m未完全垮落（旁邊有木垛）；11月16日早班，回采進度累計10.5 m，支架后全部垮落；11月19日早班，回采進度累計14.7 m，支護后全部垮落；11月22日早班，回采進度累計18.1 m，1～68#架后全部垮落，69～73#架后約2 m未全部垮落；11月26日早班，回采進度累計23.6 m，支架后全部垮落；11月29日早班，回采進度累計29.6 m，支架后全部垮落。整個初采期間工作面支架壓力較為穩定，且未出現安全閥開啟現象，說明采用水壓預裂后，頂板的完整性受到破壞，強度降低，能夠逐步垮落，對支架沖擊小。

5 結論

通過現場工業試驗可知，水壓預裂后，頂板巖層完整性遭到破壞，隨著工作面回采，頂板能夠及時垮落，工作面支架壓力較小，未出現安全閥開啟現象，水力壓裂縮短了初次來壓步距，減弱了老頂垮落對支架的沖擊。