堅硬頂板綜放面水力壓裂技術研究及應用

王浩華，孫小東

（山西王家嶺煤業有限公司，山西 忻州 036600）

在煤礦開采過程中，難垮落的頂板具有煤層頂板巖石強度大、彈性模量大、節理裂隙不發育、厚度大、完整性好，自承載能力強的特點，容易造成大面積冒頂事故，生命和財產安全存在重大威脅[1-2]。水力壓裂控制頂板技術具有工程量小、安全性高、施工速度快和控頂效果好等特點，能夠有效解決綜放工作面鄰近采空區巷道受動壓的影響程度，降低支護難度，可使頂板巖層定向壓裂、破壞頂板巖層的完整性，進而削弱頂板的強度和整體性，使采空區頂板能夠分層分次垮落，縮短初次來壓和周期來壓步距，達到減小或消除堅硬難垮頂板對工作面回采危害的目的[3-5]。

1 工程概況

王家嶺煤礦主要開采4 號煤層，厚度4.6～10.17 m，平均7.6 m。煤層傾角為5°～8°，平均6°。18109 工作面偽頂為0.5～1.0 m 的厚炭質泥巖、泥巖和煤線，直接頂為3.1～6.8 m 厚的砂質泥巖、泥巖，單軸抗壓強度為28.1 MPa，老頂為2.5～9.75 m 中粒砂巖、細粒砂巖，單軸抗壓強度為43.1～71.1 MPa。根據鄰近以往工作面開采經驗，工作面開采過程中兩順槽頂板垮落不充分時可能會對本工作面兩巷產生壓力傳遞，造成兩巷礦壓顯現較為劇烈，支架立柱安全閥長時開啟、立柱下沉明顯，煤壁片幫嚴重，回風順槽超前段頂板下沉、底板鼓起、兩幫出現網兜，端頭懸頂面積約為30 m2。

2 水力壓裂切頂機理

水力壓裂切頂卸壓是指通過布置鉆孔垂深為煤層到老頂巖層的距離、一定間距的鉆孔切槽，在采空區側上覆巖層預制切縫，鉆孔注入高壓水，采取“定點分層壓裂”工藝，受高壓水作用產生裂隙并控制裂紋在巖層中的擴展方向，在頂板形成一個“準破裂面”，同時破壞上覆巖層巖石的強度和完整性。工作面回采時，采場發生周期來壓，采空區頂板發生垮落，上覆巖層沿著預制的“準破裂面”斷裂，即上覆巖層沿著切縫方向切斷垮落巖層與回采巷道上方頂板的連接關系，減小回采巷道上覆巖層在采空區形成的懸頂距，從而減輕回采時超前支承壓力對回采巷道的影響，降低回采巷道維護難度。

正常回采頂煤壓裂用脈沖與常規組合水力壓裂：通過脈沖泵的高頻沖擊作用在堅硬煤體內的各個方向形成大量的裂縫，不僅提高了裂縫的數量，而且突破節理、層理對均勻壓裂的制約，然后通過更換成高壓泵，對脈沖形成的水壓裂縫進行進一步補充壓裂，持續增大裂縫的擴展范圍，有效減小頂煤塊度。水力壓裂破碎頂煤的同時，提高了頂煤的含水率，也有利于工作面的防滅火和工作面的防塵。

3 水力壓裂切頂設備

水壓壓裂裝備系統主要包括：鉆機、鉆桿、鉆頭、高壓泵站、脈沖泵、水箱、高壓膠管、控制閥、封孔器、流量監測儀表、水壓監測儀表。

4 水力壓裂設計方案

4.1 壓裂鉆孔高度（層位）及鉆孔參數確定

18109 工作面直接頂均厚為5.0 m，單軸抗壓強度為28.1 MPa，老頂均厚為6.13 m，單軸抗壓強度為43.1～71.1 MPa。4 號煤層均厚7.6 m，采高3.5 m，放煤高4.1 m，壓裂垂高設計在15～20 m，由于壓裂半徑可達10 m 左右。根據高壓水預裂理論、最大拉應力準則及18109 工作面切眼頂板巖層結構、巖層厚度、巖性及采高、結合彈性理論及現場經驗，可估算靜水壓力應不小于巖石的單軸飽和抗壓強度，即不小于71.1 MPa；同時由于壓裂巖石為三向受壓狀態，故靜水壓裂需要適當加大，最大壓力選擇75 MPa。

4.2 切眼及兩端頭、兩順槽壓裂孔布置及參數

工作面開采前，在切眼內用氣動錨桿鉆機垂直施工鉆孔，布置鉆孔12 組，開孔距離切眼煤壁1 m，鉆孔深度為14 m，鉆孔間距為15 m，鉆孔直徑為50 mm。

兩端頭壓裂孔布置，開采前，在前后端頭向外15 m，超前支護段內用風動錨桿鉆機垂直施工鉆孔，布置鉆孔2 組，開孔位置靠近煤柱側1 m，鉆孔直徑50 mm，鉆孔深度為14 m。

運輸順槽和回風順槽鉆孔布置自切眼向外25 m開始布孔，兩順槽鉆孔相互錯開布置。1 號—6 號孔，開孔位置距離底板1.5 m，終孔位置位于老頂之間，鉆孔直徑75 mm。S1 和S2 號開孔位置距離底板1.5 m，終孔位置距離頂板1 m，鉆孔直徑75 mm。奇數鉆場布置4 個鉆孔，偶數鉆場布置1 個鉆孔，鉆場間距15 m，依次循環布置施工，兩順槽共計鉆場168 個。鉆孔各參數如表1。

表1 壓裂孔參數

5 壓裂效果監測

為了評價壓裂效果，在工作面運輸順槽和回風順槽布置監測測站，共布置3 個測站，每個測站布置2 個空心包體、4 個鉆孔應力計和1 個表面位移測點，在對應位置分別布置表面位移測點，監測巷道表面位移變化。高壓水力壓裂管路上安設無線數據采集儀、流量監測儀，實時監測、采集壓裂管路壓力及流量變化。距孔口12 m 位置壓裂各管路壓力情況分別見圖1。

圖1 距孔口12 m 位置壓裂管路壓力情況

由監測結果可知，裂縫破裂壓力基本低于裂縫擴展壓力，表明橫向切槽可有效降低裂縫起裂壓力。總的來說，管路壓力曲線中短時波動，可認為與煤層破裂—貫通有關，水流經過“受阻—壓力升高—煤層被壓裂貫通—阻力減小壓力下降”過程，在壓力曲線上表現為明顯波動，這與現場實驗描述中的“明顯脆響”相一致。

6 結論

通過在王家嶺煤礦工作面開展的水力壓裂切頂卸壓技術控制堅硬頂板研究，主要得出如下結論：

1）采用水力壓裂處理技術后，裂縫擴展半徑約為30～35 m，工作面在推進12.5 m 開始垮落，老頂的初次來壓步距為15 m，周期來壓步距平均為13 m，來壓強度低，顯現不明顯。

2）采用水力壓裂處理技術后，巷道在回采期間經受超前壓力影響，巷道兩幫移近量最大為125 mm，頂底板最大移近量為50 mm。

3）通過現場監測及頂板垮落過程可知，水力壓裂區域范圍內未出現明顯頂板壓力增高區，工作面端頭區域內頂板基本隨采隨垮，有效地緩解臨近工作面的動壓影響。