堅硬頂板綜放工作面水力壓裂初次放頂技術研究

姚俊彪 張大明 李 剛

（1.山西河曲晉神磁窯溝煤業有限公司，山西 河曲 036500；2.遼寧工程技術大學礦業學院，遼寧 阜新 123000）

全部垮落法管理采空區頂板時，如頂板巖性比較堅硬且厚度大，煤層開采后，采空區頂板將會形成大面積懸頂，初次來壓步距可達40～80 m，甚至上百米[1]，頂板來壓時會對支護設備和人員造成破壞事故。山西晉神磁窯溝煤業13102 工作面煤層頂板堅硬，初次來壓前采空區懸頂距離長，13102 切眼開展了水力壓裂頂板弱化研究，得出有價值的工藝參數，為類似條件下切眼初次放頂工程提供借鑒。

1 概況

13102 綜采工作面所采煤層為13#煤層，位于二水平一盤區，工作面標高為+886～ +928 m，埋藏深度110.0～188.2 m。直接頂厚為2.99～3.53 m，巖性為泥巖和砂質泥巖。基本頂厚為10.57～23.32 m，巖性為細粒砂巖、中粒砂巖、粗粒砂巖，巖性致密堅硬。回風順槽長1721 m，運輸順槽長1721 m，切眼長240 m。工作面東部為13103工作面（未形成），以東為13 號煤層未開采的實體煤；南部為山西華鹿陽坡泉煤礦；西部為13101 綜放工作面（已回采）；北部為131盤區輔助運輸大巷、膠帶大巷、回風大巷。

2 切眼水壓致裂方案

2.1 鉆孔布置

水壓致裂施工鉆孔布置位置分別在運輸順槽、切眼及回風順槽，共41 個鉆孔，其中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）；進風順槽布置鉆孔S（3 個) ，鉆孔A（2 個）；回風順槽布置鉆孔S（3 個），鉆孔A（2個）。具體方案如圖1，水力壓裂鉆孔參數見表1。

表1 水壓致裂鉆孔布置

圖1 水力壓裂鉆孔布置平面圖（m）

2.2 壓裂孔封孔

將橡膠封孔器推至預裂縫處，開泵加壓后，具有自平衡結構的封孔器橡膠管發生膨脹，緊緊撐緊孔壁，封孔壓力為12～16 MPa，試壓時加壓到2～5 MPa 檢查密封情況。水流在高壓作用下使煤巖預裂縫不斷起裂并擴展，使頂板分層弱化[2]。

2.3 高壓水壓裂

高壓水壓裂通過高壓膠管、注水鋼管、壓裂鋼管進行煤巖預裂。為使切眼段頂板處于可控狀態，初期預裂參數較為保守[3]，單孔預裂7～11 次，每段壓裂3 m，孔底1 m 不壓裂，自孔底每3 m 一段向孔口方向壓裂。人員依據壓力變化情況判斷每段預裂時間，通常不低于16 min[4]。25～30 MPa 為單個鉆孔最大起裂壓力范圍，當鉆孔壓力低于10 MPa 或巷道頂板出現涌水加大時，立即停止注水工作。

2.4 施工準備

施工選用ZDY2300LPS 大型履帶式鉆機，質量為4.5 t。注水高壓泵型號HSA9032A-95/60Y，功率90 kW，流量5.7 m3/h，額定壓力60 MPa，能夠充分滿足水力壓裂時的壓力要求。供排水準備：供水壓力不小于1 MPa，壓力不足時設置增壓泵[5]。Φ108 mm 管路布置于運輸順槽，連接方式為KJ25。

3 壓裂過程中壓力變化監測與分析

壓裂階段為2021 年5 月16 日至2021 年6 月3日，歷時18 d。為了能夠更加準確地獲取壓裂時壓裂部位壓力變化的數據，采用KJ327 水力壓裂水壓監測系統對壓裂過程中的壓力變化進行監測。選取5 月28 日—5 月31 日期間鉆孔水力壓裂的壓力變化進行分析，如圖2。

圖2 鉆孔水壓監測系統圖

5 月28 日—5 月31 日四天共壓裂鉆孔10 個，依 次 為L11、S10、L10、S9、L9、S8、L8、J4、S7、J3 鉆孔，對各鉆孔水壓監測系統圖進行分析，可以得出以下結論。

（1）總的壓裂次數基本保持在8～12 次，鉆孔的最大壓力均值26.68 MPa。排除5 月27 日、5 月30 日兩天受水壓不穩、斷水等原因影響的L11、S10、L8、S8 四個鉆孔，其他鉆孔的最大壓力均值為29.1 MPa，表明在水壓及供水正常情況下，鉆孔起裂壓力較高。

（2）初始壓裂時，即封孔器處在孔底K2 石灰巖層中時，起裂壓力最大，最大可達32.2 MPa。

（3）隨著壓裂時逐步退出注水桿，壓裂的層位：含礫粗砂巖→細砂巖→中粒砂巖，隨著巖層逐漸變軟，起裂壓力逐步降低。

（4）13102 切眼起裂最大壓力達34 MPa（A2鉆孔），由于頂板主要為含礫粗砂巖和中粒砂巖，頂板較堅硬，起裂壓力明顯較高，表明采用水力壓裂工藝治理石灰巖堅硬頂板依然有效。

4 定向水壓致裂效果分析

為了解水壓致裂對頂板的預裂效果及超前水壓致裂對巷道頂板的破壞情況，對工作面頂板垮落情況、頂板裂隙發育鉆孔窺視觀測結果進行分析[6]。

4.1 工作面頂板垮落情況分析

在施工期間對13101 切眼和13102 切眼的支架壓力變化及回風順槽超前支架前面頂板變形量進行現場觀測，13102 工作面與15201 工作面初次來壓步距對比情況見表2。對比13101 工作面初次來壓步距可知，采用水力壓裂處理切眼及超前頂板后，13102 工作面初次來壓步距明顯縮短，直接頂垮落步距由14 m 縮短至10.5 m，降幅達3.5 m，基本頂垮落步距由80 m 降至56 m，降幅達24 m，表明切眼水力壓裂切頂效果明顯，安全風險大大降低。

表2 工作面初次來壓步距對比表 m

4.2 鉆孔窺視頂板裂隙發育特征研究

項目組于6 月2 日對水壓致裂前后頂板鉆孔的裂隙發育規律進行了鉆孔窺視試驗，試驗結果如圖3～圖5。通過對L10 各壓裂點的孔深和綜合柱狀圖分析計算，鉆孔16.4 m、21.1 m、32.3 m 和37.2 m均處在中粒砂巖層位。

圖3 L10 鉆孔水壓致裂前后鉆孔裂隙發育情況

圖4 S8 鉆孔水壓致裂前后鉆孔裂隙發育情況

圖5 L3 鉆孔水壓致裂前后鉆孔裂隙發育情況

由圖3～圖5 可知，L10、S8、L3 三個鉆孔主要以中粒砂巖、細砂巖、含礫粗砂巖為主。分析各鉆孔孔深和綜合柱狀圖可知，圖3（a）、（b）、（c）和（d）處在中粒砂巖層位，圖4（a）和4（b）處在中粒砂巖層位，4（c）處在細砂巖層位，4（d）處在含礫粗砂巖層位，圖5（a）、5（b）、5（c）和5（d）均處在中粒砂巖層位。

由窺視結果可以看出，壓裂之前，中粒砂巖、細砂巖和含礫粗砂巖均勻密實，無裂隙；致裂后，原鉆孔裂隙發生明顯的擴展，并有大量新生裂隙產生。表明水力壓裂確實能夠有效破壞頂板完整性，有利于頂板的及時垮落。

5 結語

為避免13102 工作面開采后頂板大面積懸頂，采用了水力壓裂技術對切眼處頂板進行初次切頂卸壓，對施工鉆孔布置方式、水壓致裂相關參數、施工準備等進行了設計。通過監測鉆孔壓裂過程中的壓力變化，總的壓裂次數基本保持在8～12 次，鉆孔的最大壓力均值26.68 MPa，最大起裂壓力達34 MPa。通過13102 工作面與類似條件工作面初次來壓步距對比和鉆孔窺視頂板裂隙發育特征，表明采用水力壓裂工藝治理石灰巖堅硬頂板依然有效。