厚硬頂板下工作面定向水力壓裂頂板弱化技術試驗

楊貴棟

(晉能控股集團 煤峪口礦技術部，山西 大同 037003)

我國煤礦開采存在五大災害，具體包括瓦斯、煤塵、水、火和頂板等，其中頂板事故居各類災害事故之首，是制約煤礦正常生產的關鍵因素之一。隨著煤炭需求量和開采強度的不斷提高，賦存條件較好的資源已逐漸開采殆盡。我國煤炭資源賦存環境惡劣，大量的煤炭資源賦存著堅硬頂板，避免堅硬頂板誘發的頂板事故成為煤礦開采的技術難點[1-2]。工作面賦存堅硬頂板巖層時，易出現大面積懸頂現象，尤其在工作面回采初期，大面積懸頂易造成工作面支架控頂面積過大，工作面礦山壓力顯現嚴重，工作面極易出現冒頂事故，可能造成巨大的經濟損失和人員傷亡[3-4]。對于堅硬頂板易出現的大面積懸頂現象，大量專家學者進行了研究，并提出了治理措施。目前常采用定向預裂的方式進行弱化頂板巖層，主要技術手段有爆破預裂和水力壓裂。其中定向水力壓裂具有安全環保、效果好的優點，是治理堅硬頂板大面積懸頂的有效技術之一[5-6]。

1 工程概況

煤峪口礦位于山西大同。目前主要開采煤層為11號、12號、14號煤層。其中81020工作面位于410盤區，其北部為8108采空區，南部設計為81022工作面(未采)，西部為410盤區巷道，東部為礦區邊界，采掘工程平面圖如圖1所示。81020工作面開采11號～12號合并煤層，開采范圍內煤層厚度7.8～8.9 m，平均厚度8.1 m，煤層傾角1～3°，平均傾角2°，工作面開采煤層結構簡單，煤層硬度系數2.6，屬較穩定厚煤層；煤層直接頂為深灰色粉砂巖，厚度10.5～13.2 m，平均厚度12.5 m，堅硬，組織致密；煤層基本頂為深灰色細粒砂巖-粉砂巖互層結構，厚度18.3～26.7 m，平均厚度24.6 m，堅硬，水平層理發育；直接底為深灰色粉砂巖-細粒砂巖互層結構，厚度2.55～9.3 m，平均厚度6.4 m，堅硬，致密，且垂直層理。81020工作面走向長410 m、傾向長156 m，采用綜放開采一次采全高工藝，全部垮落法控制頂板，由于81020工作面賦存厚硬頂板巖層(厚度超過30 m)，因此，在81020工作面回采時出現了大面積懸頂現象，造成了嚴重的礦山壓力顯現，嚴重影響到工作面安全正常回采。

圖1 試驗工作面采掘工程平面圖

2 定向水力壓裂頂板弱化技術

2.1 水力壓裂技術與工藝

水力壓裂技術通過高壓水壓力使工程巖體內部的原生裂縫二次重張或產生新的裂縫并持續擴展延伸，即采用高壓水壓力在堅硬頂板巖層內人為和主動的構造結構弱面，從而弱化堅硬頂板巖層[6]。

定向水力壓裂頂板弱化技術總體包括3個步驟：打鉆、封孔和壓裂，具體步驟如圖3所示，具體工藝包括4個：①基于現場條件，設計定向水力壓裂鉆孔參數、鉆孔壓裂參數；②定向水力壓裂鉆孔施工、水力壓裂系統安裝，進行定向水力壓裂現場試驗；③現場評價定向水力壓裂頂板弱化效果，實時調整定向水力壓裂參數；④基于確定水力壓裂參數，進行下一施工地點的定向水力壓裂頂板弱化工作。

圖2 試驗工作面煤層頂底板巖性柱狀圖

圖3 定向水力壓裂頂板弱化步驟

2.2 定向水力壓裂頂板弱化技術

在煤峪口礦81020工作面進行定向水力壓裂頂板弱化技術試驗。試驗段長度195 m，81020工作面賦存堅硬頂板巖層總厚度超過30 m，定向水力壓裂鉆孔深度應大于堅硬頂板巖層的總厚度。設計在兩巷道施工定向水力壓裂鉆孔，其中鉆孔A、B垂直于巷幫施工，鉆孔A長度120 m，與水平方向呈30°夾角，進入堅硬頂板垂深53 m，封孔長度27 m，鉆孔B長度80 m，與水平方向呈50°夾角，進入堅硬頂板垂深54.3 m，封孔長度17 m，鉆孔A＇、B＇與巷道軸向呈 60°施工，具體布置如圖4、圖5和圖6所示，壓裂時間均為30 min。

圖4 定向水力壓裂鉆孔布置平面圖(m)

圖5 定向水力壓裂鉆孔A、A'剖面圖(m)

圖6 定向水力壓裂鉆孔B、B'剖面圖(m)

3 定向水力壓裂頂板弱化效果分析

煤峪口礦81020工作面進行了195 m的定向水力壓裂頂板弱化技術試驗，并對81020工作面試驗段進行了礦壓實時監測。工作面支架阻力三維圖如圖7所示(試驗段初期0～40 m)。

圖7 81020工作面試驗段初期0～40 m支架阻力三維圖

由圖7可知，81020工作面支架阻力呈波浪狀，并存在一定的周期性；81020工作面推進0～30 m范圍，支架阻力較小，頂板來壓不明顯，81020工作面推進至35 m時，基本頂初次垮落導致頂板來壓突然增大，支架最大阻力46.5 MPa。整體看，現場試驗過程中，工作面支架穩定性良好，工作面回采未受到頂板壓力影響。綜上所述，煤峪口礦81020工作面定向水力壓裂頂板弱化技術試驗有效緩解了工作面頂板來壓。

4 結 語

在煤峪口礦81020工作面賦存堅硬頂板巖層總厚度超過30 m，造成了嚴重的礦山壓力顯現現象，嚴重威脅到工作面正常回采。

1) 為防止工作面回采過程中堅硬頂板誘發的災害事故，提出采用定向水力壓裂頂板弱化技術。

2) 通過高壓水致裂人為和主動的在堅硬頂板內部構造結構弱面，從而實現堅硬頂板弱化，降低工作面壓力。

3) 基于此，設計了定向水力壓裂頂板弱化技術參數，并在81020工作面進行了現場試驗。

現場試驗結果表明定向水力壓裂頂板弱化技術可有效緩解工作面頂板來壓。