水力預裂在薄煤層中的應用

＊李生晉

（山西汾西礦業集團中興煤業 山西 030500）

前言

當前，經濟持續快速發展，促進工業不斷加速發展和壯大，礦產需求量日益增加，采礦業機械化、標準化和高效化程度進一步加深，采礦技術逐步朝著科學先進和安全穩定的方向發展。煤炭開采技術發展帶來的變化影響到工藝的每一個環節。當前采煤技術的發展目標就是高效率、高產量、高安全可靠性，采取的基本方法是促進采煤技術與現代高新科技相互融合，將采礦設備和生產監控系統的研究和開發側重點放在實用、強效、高效、安全、耐用、智能化等方面，優化開采工藝。保證現代煤炭開采技術實現可持續發展，與此同時，不斷發展多層次、多元化的煤炭開采技術。

水力預裂這項新技術的應用日趨成熟，促進放頂煤開采的理論研究和應用水平向著更深更廣的領域不斷推進。開發相類似的高產、高效、先進的開采工藝，為的主要是解決一些技術方面的難題：硬頂板控制技術，研究埋深淺、地壓小的硬厚頂板控制技術，主要措施就是水力預裂技術、巖層定向水力壓裂、傾斜深孔爆破等頂板快速處理技術，可以直接控制頂板實現隨采隨冒，有效提升頂煤的采收率。而且，基本上能夠實現頂煤按照一定的步距崩落，這既有利于頂煤破碎，又有效保證工作面生產安全。

1.概述

水力預裂技術是指按照一定的標準和要求，在鉆孔壓裂段提前預制一些所需的裂縫，這樣可以按預定的設計規劃，能夠對水力預裂裂紋擴展方向較好的進行控制的一項技術，針對堅硬度較強的頂板控制，具有極為明顯的效果，是2m以下薄煤層高效綜采關鍵技術之一。該項技術主要表現具有兩個顯著特征，即壓裂和軟化。應用此技術能更進一步消減頂板強度及其完整性，促進采空區頂板達到分層次、分批次垮落的技術設計要點，縮短初壓和壓階周期，以減少或徹底清除堅硬、難以垮塌的頂板導致的開采風險，以實現工作面順利進行回采目的。其適用范圍為較薄煤層，煤炭（夾矸）硬度：f≤4，地質條件較穩定，煤層構造簡單或中等條件的薄煤層適用。

（1）工作面概況。3205保護層面井下位于三采區北翼，東面為3203工作面（現采），在南面是三采總回風巷、西翼軌道巷、集中皮帶巷，西面為3207運巷（停掘），上下部煤層均未開采。工作面標高為700-745m，蓋山厚度為576-850m。

（2）水力預裂必要性。前期在采掘過程中圍巖動壓普遍強烈，礦山壓力異常顯現主要表現為頂板劇烈下沉，底板嚴重底鼓、兩幫收縮嚴重，巷道頂、底、幫最大變形量分別1.5m，1.5m和0.8m。深部開采有這樣三種狀況：應力集中程度高、呈現破碎狀態，傳統支護方式不易實現有效加固。造成軟巖巷道返修率高達70%，僅通過不斷增大支護強度、支護密度或增強支護材料拉剪性能等措施是不夠的。為此，開展水力預裂超前切頂技術，在回采工作面巷道煤幫側向工作面上方頂板鉆孔，實行超前水力預裂設計施工，致使頂板巖層出現一定的裂隙，破壞頂板巖層完整性，減少懸頂和降低煤柱中應力相對集中的程度，徹底從源頭來優化兩端頭支護與超前支護在維護上存在的難度。

2.水力預裂原理及其施工方案

(1)水力預裂切頂技術原理

水力預裂切割頂板的原理主要是通過高壓泵將壓裂液注入上覆巖層（頂板）中，在液體導流的作用下，煤巖裂隙發生擴張破碎，逐漸形成貫通裂隙，與此同時，在高壓泵將壓裂液注入的過程中，高壓液體會切割開堅硬的巖層，因此，對于上覆巖層（頂板）結構和強度會造成一定的破壞作用，從而達到軟化巖體的效果。

水力預裂切頂卸壓產生的主要效果具體體現在：通過應用預裂切縫，達到對堅硬頂板的定向壓裂的預期，促進巖層沿截割槽方向定向裂縫的形成，實現分層放頂板垮落；破壞頂板結構的穩定性，加速頂板坍塌，采用定向預裂控制頂板垮落區，破碎垮落的巖體能夠有效的支撐采空區支承壓力積聚區，降低煤柱承受的載荷。

工藝技術或裝備：利用特殊的開槽鉆頭在普通頂板鉆孔中形成預制橫向切槽，利用高壓水在切縫端部產生的集中拉應力，使裂隙在頂板巖層中擴展，將完整穩定的頂板巖層分割成多層，削弱其完整性和穩定性，使頂板分層、分次逐步垮落，保證工作面初采安全。

圖1 頂板水力預裂示意圖

(2)水力預裂超前切頂技術方案

根據該區域煤層賦存工程地質特征，為保證工作面正常生產不會受到影響，按照施工工期的要求，試驗段位置應超前工作面150m。鉆孔朝向工作面切巷。

采用技術方案，具體如下：鉆孔參數：鉆孔長度30m，孔間距為8m，仰角為45°，偏角20°（鉆孔的深度根據圍巖情況進行調整）。

壓裂位置：鉆孔15-30m，每2m水力預裂一次，共壓裂8次，采用倒退式壓裂，壓裂垂直距離在頂板以上10-20m范圍內，壓裂水平距離在充填墻體靠近采空區墻邊1m范圍內。

壓裂鉆孔的施工，鉆頭直徑為75mm，鉆桿直徑宜采用42mm。

為了評價壓裂效果，測量3205保護層材用兩巷頂板離層儀變化量、頂底板與兩幫移近量，同時觀測上隅角頂板垮落情況。

根據頂板巖層地應力場及巖層強度，分析在裂紋擴展的過程中，產生的濾失、變向及多裂縫擴展情況，以此認定關于高壓注水泵的幾個數據，壓力：60MPa，流量：4.6m3/h。電機功率：90kW，電壓分別：660V或者1140V，基于此，將相應的開關和電纜配備齊全。

安裝封孔器：連接和安裝封孔器，再連接靜壓水，進行排氣和測試封孔器，保證施工作業的正常進行，手動泵、儲能裝置通過高壓軟管與封孔器做好連接，并且在連接處“O”型密封圈密封，連接方式采用的是快速連接。

水壓儀安裝在高壓膠管和注水鋼管連接處。

3.水力預裂現場觀測

(1)水力預裂段進入超前支護段礦壓觀測情況

3205保護層在施工水力預裂鉆孔卸壓后，兩巷超前支護由原“一梁三柱”優化為“一梁二柱”支護，在水力切頂鉆孔進入超前支護后：材巷1#孔附近的24#頂板離層儀顯示無離層；1#孔巷道位移觀測寬度4.0m，高度2.5m；巷寬無明顯變化。高度降低0.2m，原因為該段進入超前支護后，底板淤泥沉積造成底板抬高。經觀測無巷道收縮量、頂板無離層量。

運巷1#孔附近的21#頂板離層儀顯示無離層；1#孔巷道位移觀測寬度3.7m，高度2.6m；底鼓量在0.1m以內，經觀測無巷道收縮量、頂板無離層量。

目前未發現壓裂段有底鼓現象，表明水力預裂對巷道側壓的緩解起到了明顯的效果。

(2)水力預裂段對上隅角頂板垮落情況

在施工水力切頂鉆孔前，上隅角懸頂面積大，時常超過20m，圪窩垮落不充分，對隅角頂板管理、瓦斯治理帶來很大的困難，通過施工水力切頂鉆孔，提前壓裂頂板，使上隅角進行分層、逐步垮落，在施工水力切頂鉆孔后，通過在上隅角觀察發現采空區頂板呈臺階式垮落，且圪窩深度基本能控制在10m以內，表明水力預裂對上隅角垮落效果明顯。

4.取得效果和前景分析

3205保護層綜采工作面通過應用鉆孔壓裂段預制裂縫技術，有效控制水力壓裂裂紋擴展的方向，實現堅硬頂板壓裂和軟化，進一步的削弱頂板的強度和整體性，實現綜采工作面頂板分層、分次垮落，進而縮短初次來壓和周期來壓的步距，達到減少，甚至消除堅硬難垮頂板對工作面回采危害的情況。該技術屬于煤礦開采的一項新型技術，對于提升難采煤層采煤方法和工藝的研究，均有很大進步空間，主要方向是改善作業條件，具有良好的應用和推廣前景，能顯著提升堅硬難垮頂板的管理水平，縮短初次來壓和周期來壓步距，提高了單產和機械化水平，以此提升了采礦安全性和開采效率，對推動礦井高產高效生產和巖層控制科技進步有重要的作用。

5.總結

水力預裂技術的應用，在裂隙產生的過程中，是能量與壓力積累的結果，頂板發生碎裂，煤層卸壓，極大的提升了煤體的透氣性，有利于提升開采效率。為減小3205保護層工作面推進期間對下部工作面的采動影響，并使采空區頂板及時垮落。對3205保護層材運巷頂板進行超前水力預裂，頂板巖層因應力作用產生裂隙，破壞頂板巖層的整體性，減少懸頂降低煤柱中的應力集中程度，有效控制巷道變形量。未來，智能化煤礦建設是企業發展的重中之重，開發和制訂科學合理的新型技術實施規劃和工作方案，在具備條件的煤礦進行試點應用，對于促進智能化采礦建設快速發展，確保企業科學合理的資源開發利用，謀求可持續發展戰略，具有極為重要的意義。