高壓水力壓裂切頂技術在綜采工作面初采放頂中的應用

張有河

（山西省晉神能源有限公司，山西 河曲 036500）

0 引 言

受煤層地質條件、覆巖壓力、開采方式等因素影響，煤礦井下綜采工作面在初采期間，易發生工作面采空區頂板長距離大面積懸頂不垮落現象，從而造成采空區瓦斯、CO等有害氣體積聚，且當大面積懸頂突然垮落時，容易造成頂板事故、瓦斯、CO超限等礦井災害事故，給礦井安全生產帶來嚴重威脅[1-2]。為防止類似事故發生，在工作面初采期間，通常采用切巷及上下端頭超前退錨、剪網及頂板超前爆破預裂強制放頂等技術措施[3]，但存在切頂效果差、安全系數低等問題。高壓水力壓裂技術目前已廣泛應用于井下工作面瓦斯抽采、地面石油、天然氣開采等領域，由于水力壓裂技術安全性較高、且現場實施操作較為簡單[4]。本文以磁窯溝煤礦13102工作面為工程背景，擬采用高壓水力壓裂方式對工作面頂板進行預裂破壞，并研究分析了相應的水力壓裂施工工藝參數，為類似條件下礦井實施水力壓裂方案提供技術參考。

1 概 況

磁窯溝煤礦核定生產能力為500萬t/a。13102工作面位于礦井南翼采區，工作面切眼長度為240 m，切眼斷面寬×高為10.0 m×4.0 m，膠運順槽斷面寬×高為5.6 m×4.0 m，回風順槽斷面寬×高為5.0 m×3.8 m，沿煤層底板掘進，工作面主采13號煤層，煤層平均厚度11.1 m，采用綜采放頂煤采煤工藝進行開采，全部垮落法管理采空區頂板。工作面煤層綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 1 31 02工作面煤層頂底板綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of coal seam roof and floor in 13102 working face

由于13102工作面切眼掘進期間采用錨網索進行支護，在初采初放期間，雖然對切眼內頂板施工的錨桿、錨索托盤進行提取退錨處理，但其頂板巖層較為堅硬，造成工作面回采頂板巖層不能及時垮落，形成大面積懸頂和大量瓦斯積聚，在回采期間經常出現上隅角瓦斯超限現象，給工作面安全生產帶來安全隱患。為保證工作面安全回采，需采取強制放頂措施處理頂板。

對13102工作面煤層頂板巖層巖性特征進行分析，為制定切頂卸壓措施提供理論依據，向工作面切眼頂板巖層中施工窺視鉆孔，對其頂板巖層進行窺視[5]。選取5號窺視鉆孔（孔深42.6 m）進行分析，在0～1 m頂板巖層深度，其內部巖層裂隙較發育，在超過1 m深度區域后，巖層裂隙發育逐漸減少。綜合考慮13102工作面煤巖層地質條件、開采方式及現場安全生產實際情況，決定采用高壓水力壓裂切頂卸壓技術來處理13102工作面頂板大面積懸頂不及時垮落問題。

2 高壓水力壓裂施工方案設計

2.1 技術原理

高壓水力壓裂技術是利用液壓鉆機向工作面煤層頂板中施工壓裂鉆孔，在施工過程中首先使用普通鉆頭進行鉆進，在施工到設計深度后，將鉆頭更換成特殊開槽鉆頭，在鉆孔終端位置施工橫向切槽，當施工完成后，使用封孔器對鉆孔進行封堵，利用高壓注水泵向切槽內進行注高壓水，通過高壓水向橫向切槽兩端施加橫向高壓切應力，使切槽內的巖層產生裂縫，在高壓切應力的不斷作用下，切縫逐漸擴大并延展，破壞巖層的完整性，使其產生分層后整體強度降低[6-8]。工作面在回采過程中，煤層頂板在采動動壓及覆巖應力等作用下，工作面采空區內頂板巖層垮落方式由原來的整體一次性垮落變為分層依次垮落，減小了工作面頂板初次來壓步距，且其來壓強度也大幅度減弱，降低了頂板大面積垮落給工作面生產帶來的安全隱患，為工作面安全生產提供了保障。

2.2 施工方案設計

2.2.1 鉆孔布置

壓裂鉆孔布置如圖2所示，累計施工41個鉆孔。①在切眼回采側布置壓裂鉆孔L（14個）、鉆孔S（13個）、鉆孔J（4個）；②在進風順槽布置鉆孔S（3個)、鉆孔A（2個）；③在回風順槽布置鉆孔S（3個）、鉆孔A（2個）。

圖2 1 31 02工作面切眼水力壓裂初次放頂鉆孔布置Fig.2 The arrangement of drilling holes for the first caving of hydraulic fracturing in 13102 working face

2.2.2 鉆孔技術參數

①鉆孔L，孔深40 m，傾角為30°；②鉆孔S，孔深40 m，傾角為45°；③鉆孔J，孔深30 m，傾角為45°；④鉆孔A，孔深40 m，傾角為30°。

鉆孔進尺總計：560 m（14個L孔）+760 m（19個S孔）+120 m（4個J孔）+160 m（4個A孔）=1 600 m。

2.3 主要施工機具

在工作面進行水力壓裂施工時，所需主要機具見表1。

表1 主要施工機具規格型號及技術參數Table 1 Specification type and technical parameters of main construction machinery

2.4 施工工藝流程

高壓水力壓裂技術主要施工工藝包括鉆孔、封孔、高壓水壓裂3個步驟。

（1）鉆孔。采用ZDY2300LPS型煤礦全液壓坑道鉆機、φ60 mm鉆頭及配套的地質鉆桿，按照設計方案的技術參數，完成鉆孔施工。

（2）封孔。鉆孔至設計深度后，退出鉆桿，更換為封隔器，采用人力或機械將封隔器推進至壓裂位置，然后通過高壓樹脂細管緩慢加壓，使封隔器膠筒膨脹，封孔壓力為12～16 MPa，保證連接處密封完好，關閉樹脂細管閥門，試壓時加壓到2～5 MPa檢查密封情況，達到要求后封孔完成。

（3）高壓水壓裂。緩慢打開與高壓注水桿連接的截止閥，緩慢注水加壓，觀察封孔效果，觀察1 min后，如本孔不出水，持續加壓進行保壓注水，一般持續30 min（具體視情況而定）。若未達到30 min時，臨近鉆孔或附近裂隙有水涌出，即說明壓裂孔與臨近孔或周圍裂隙已溝通，再繼續加壓，如涌水情況無變化時可停泵，首次壓裂結束。泄壓后按設計要求逐次下移封隔器，重復（2）、（3）工序，直至該孔壓裂結束。

3 現場應用效果分析

3.1 水力壓裂壓力變化情況監測

13102工作面進行高壓水力壓裂實驗時，對高壓水泵水壓大小變化情況進行實時監測，為分析研判工作面高壓水力壓裂效果提供參考依據。觀測結果如圖3所示。

圖3 高壓注水泵壓力變化情況Fig.3 Pressure variation of high-pressure water injection pump

由圖3中壓力變化曲線分析可知，高壓水切應力作用到巖層上時，由于不同地點的巖層巖性和地質條件不同，產生的壓力變化也不同。

當顯示的壓力曲線呈現鋸齒狀且比較緊湊時，表明此區域巖層產生的裂縫在延伸擴展時，開裂幅度較小；當壓力曲線呈現為波浪形變化時，表明此區域巖層產生的裂縫開裂幅度有大有小；因有的巖層內部存在構造面或者本身帶有原生裂隙，當實施高壓注水時，高壓泵的壓力會發生較為劇烈的波動變化。

3.2 應用效果分析

根據對磁窯溝煤礦原已回采過的13101工作面頂板來壓觀測結果分析可知，13101工作面直接頂和老頂初次來壓步距分別為16.5 m和46.8 m，工作面老頂初次來壓期間，工作面支架工作阻力顯著增大，其中80%液壓支架工作阻力在10 000～11 000 kN，最大地段達到12 500 kN，在回采期間煤墻出現大面積片幫現象。

在13102工作面試驗采用高壓水力壓裂切頂卸壓技術后，為觀測分析13102工作面初采期間頂板初次來壓情況，在工作面液壓支架上安裝了在線礦壓觀測系統，對工作面綜采液壓支架工作阻力變化情況進行觀測，同時在工作面回采期間，每班現場查看采空區頂板來壓情況，觀測結果顯示，工作面開幫生產后在推進2.4 m時，工作面直接頂開始局部出現垮落現象，在推進6.4 m后直接頂全部垮落，在推進16 m后老頂全部垮落，據此分析可知，13102工作面老頂初次來壓步距為16 m，相比原13101工作面減少了30 m，且在工作面頂板初次來壓期間，煤墻只有局部出現輕微片幫現象，工作面液壓支架工作阻力在8 500～9 000 kN，最大時為10 000 kN。由此表明工作面頂板在采取高壓水力壓裂切頂卸壓措施后，有效解決了工作面頂板長距離大面積不垮落問題，保障了工作面初采期間安全回采。

4 結 語

通過在磁窯溝煤礦13102工作面切眼內進行高壓水力壓裂試驗，結果表明，對工作面頂板進行水力壓裂切頂卸壓后，頂板巖層在高壓水的切應力作用下產生裂縫而形成分層，使其完整性被破壞，工作面采空區內頂板巖層垮落方式由原來的整體一次性垮落轉變為分層依次垮落，在13102工作面初采期間，其老頂初次來壓步距相比原13101工作面減小了30 m，且來壓強度也出現大幅度降低，解決了工作面頂板大面積懸頂不及時垮落帶來的安全隱患，保障了工作面安全順利回采。