堅硬頂板下綜采面回采初期水力致裂控制技術應用

張振波

（山西省高平市科興米山煤業有限公司，山西 高平 048400）

我國的能源賦存特征決定了煤炭的主體消費能源地位，雖然目前國家大力推廣能源結構調整，但是隨著國民經濟的快速發展，煤炭需求量仍然呈現出增長趨勢。煤炭高效生產的前提是安全，目前我國煤炭主要采用地下開采方式，地下開采面臨著各種各樣的災害，其中頂板災害是煤礦五大災害之一，直接影響到煤礦的高效生產[1-2]。受地層運動影響，我國煤層賦存條件復雜。相關統計顯示，我國有30%以上的煤層賦存堅硬頂板，有超過50%的礦區分布堅硬頂板。在大同、晉城等礦區，工作面事故中有70%～80%屬于冒頂事故。堅硬頂板具有完整性良好、強度較高、易出現懸頂等特點，其垮落步距大，來壓劇烈，尤其是綜采面回采初期，易誘發明顯的動力災害[3-4]。針對堅硬頂板控制難題，目前常采用爆破預裂和水力致裂方式進行治理，由于爆破預裂方式消耗大量的炸藥，易產生有毒有害氣體，且爆破效果控制難度較大，與之相對比的是水力致裂控頂效果較好，也能解決堅硬頂板的控制難題[5]。

1 工程概況

米山煤礦15112 綜采面位于井田的東部，井下標高742～817 m，地面標高920～971 m，蓋山厚度約178～154 m，15112 綜采面北部為15113 準備工作面，東部為保安煤柱，南部為15111 采空區，西部為15104 運輸巷。本工作面所采煤層為15 號煤，工作面長度145.5 m，走向長度平均為1227 m，煤層平均厚2.7 m，煤層傾角3°～8°。煤層直接頂賦存6.2 m 厚的堅硬頂板K2 石灰巖，底板為泥巖、鋁土質泥巖，厚度4.77 m。

2 堅硬頂板水力致裂控制技術

2.1 堅硬頂板水力致裂原理

地下巖層由多種礦物質組成，其結構復雜，存在大量遇水易膨脹的黏土礦物，巖體內部也發育大量節理、裂隙，具有各向非均質性。通過高壓水作用，改變巖層結構及理化性質，降低巖層黏結力，弱化巖體強度，促使巖體內部節理、裂隙二次發育、擴展，進一步破壞巖體整體強度。堅硬頂板水力致裂控制技術就是通過高壓水弱化巖體強度的特點，在堅硬頂板巖層內注入高壓水，在高水壓及滲透作用下，改變巖層結構及理化性質，致使巖體內部的節理與裂隙二次發育、擴展，降低巖體整體強度，從而實現對堅硬頂板的有效控制[6]。

2.2 堅硬頂板水力致裂控制技術

通過在15112 綜采面切眼及工作面兩順槽布置定向水力致裂鉆孔，通過高壓水對堅硬頂板進行水力致裂，具體技術參數如下：

（1）切眼內定向水力致裂鉆孔布置

沿15112 綜采面切眼內布置兩排定向水力致裂鉆孔，分別布置在工作面前方和后方煤壁（以推進方向為前），距底板2.5 m 施工。前方煤壁施工的定向水力致裂鉆孔與水平方向的夾角為60°，鉆孔直徑設計75 mm，鉆孔深度設計7.0 m，孔間距設計15 m；后方煤壁施工的定向水力致裂鉆孔與水平方向的夾角為80°，距底板2.5 m 施工，鉆孔直徑設計75 mm，鉆孔深度設計12.0 m，孔間距設計為15 m，與前方煤壁施工的定向水力致裂鉆孔交錯布置。鉆孔布置平面圖、斷面圖如圖1 和圖2。

圖1 切眼內定向水力致裂鉆孔布置平面圖（m）

圖2 切眼內定向水力致裂鉆孔布置斷面圖（m）

（2）順槽內定向水力致裂鉆孔布置

沿15112 綜采面水槽內布置兩排定向水力致裂鉆孔，分別布置在工作面側和煤柱側，距巷幫1.0 m 施工。布置的定向水力致裂鉆孔垂直于頂板施工，鉆孔直徑設計32 mm。工作面側鉆孔深度設計6.0 m，孔間距設計8 m；煤柱側鉆孔深度設計10.0 m，孔間距設計8 m，與工作面側施工的定向水力致裂鉆孔交錯布置。鉆孔布置平面圖、斷面圖如圖3 和圖4（圖中以回風順槽為例）。

圖3 順槽內定向水力致裂鉆孔布置平面圖（m）

圖4 順槽內定向水力致裂鉆孔布置斷面圖（m）

（3）水力致裂參數與工藝

水力致裂參數主要為水壓和注水時間，水壓設計為30～50 MPa，注水時間設計為20～30 min，具體參數可根據現場反饋效果優化。水力致裂工藝如下：

① 水力致裂設備安裝調試；

② 檢查并確保封孔器保壓及工作情況；

③ 操作人員及相關設備距定向水力致裂鉆孔20 m 以上距離，并進行警示，壓裂時期禁止人員靠近；

④ 水力致裂工作時，應緩慢加壓，壓力突然下降后，進行保壓工作，使裂紋充分擴展；

⑤ 水力致裂結束后，進行封孔器卸壓工作。

3 堅硬頂板水力致裂效果

15112 綜采面回采初期采用了堅硬頂板水力致裂控制技術，技術應用后采用鉆孔窺視儀對致裂效果進行了窺視，如圖5 所示。由圖可知，孔口位置主要為原生裂隙，未受水力致裂影響，而孔底位置分布多條橫向和徑向裂縫，表明了明顯的致裂效果。在工作面回采初期進行礦壓監測，結果顯示，15112 綜采面初次來壓步距在25.0～29.9 m 范圍，平均27.1 m；初次來壓強度在27.8～35.1 MPa 范圍，平均33.0 MPa；動載系數1.31。礦壓監測結果見表1。

圖5 致裂鉆孔窺視圖

表1 15112 綜采面初次來壓監測結果

根據15112 綜采面鄰近工作面礦壓監測結果，圖6 給出了堅硬頂板水力致裂技術應用后初次來壓情況對比。未采用堅硬頂板水力致裂技術時，工作面初次來壓步距和強度分別為46.8 m、48.5 MPa；采用堅硬頂板水力致裂技術后，來壓步距和強度均有顯著降低，分別降低了42.1%、32.0%。表明堅硬頂板水力致裂技術有效改變巖層結構及理化性質，降低堅硬頂板整體強度，實現了對堅硬頂板的有效控制，避免了15112 綜采面回采初期出現懸頂現象。

圖6 水力致裂技術應用前后初次來壓情況

4 結論

米山煤礦15112 綜采面頂板賦存堅硬頂板巖層，為防止綜采面回采初期大面積懸頂誘發的動力災害，提出采用堅硬頂板水力致裂控制技術，設計了水力致裂控制技術和參數。采用堅硬頂板水力致裂技術后，孔底位置分布多條橫向和徑向裂縫，有明顯的致裂效果，工作面來壓步距和強度分別降低了42.1%、32.0%，表明堅硬頂板水力致裂技術降低了堅硬頂板整體強度，實現了對堅硬頂板的有效控制，避免了15112 綜采面回采初期誘發的動力災害。