堅硬頂板水力壓裂切頂卸壓技術實踐

楊洪增1,2,3,4

（1.河北煤炭科學研究院有限公司，河北 邢臺 054000；2.國家能源充填采煤技術重點實驗室，河北 邢臺 054000；3.河北充填采礦技術有限公司，河北 邢臺 054000；4.河北省充填采煤技術創新中心，河北 邢臺 054000）

在煤炭開采中，煤層上方如果發育有堅硬穩定、整體性強、承載能力大的巖層，在工作面推進過程中難以垮落，形成大面積懸頂，一旦垮落，則會出現嚴重的礦壓顯現，危及人員和設備安全。據統計，在我國，具有堅硬難垮落頂板的煤層占比為30%以上，隨著綜合機械化開采技術的推廣應用，越來越多的工作面出現了頂板垮落不及時的現象[1-5]。因此開展堅硬頂板且切頂卸壓技術研究，對實現煤礦安全生產具有重要意義。

1 概 況

1.1 地質生產條件

冀中股份邢東礦2129工作面所采煤層為2號煤，煤層厚度3.8～4.1 m，平均3.95 m，煤層平均傾角11°，工作面頂底板巖性及厚度如圖1所示。

圖1 2號煤頂底板巖性Fig.1 Roof and floor lithology of No.2 Coal Seam

2129工作面開采2123、2124、2125、2126工作面與軌道下山之間的保護煤柱，工作面走向長度93 m，傾斜長度381 m，采用綜合機械化一次采全高的開采方式。

1.2 存在的問題

2129工作面回采過程中，直接頂垮落較為及時，但基本頂相對比較堅硬，垮落步距長，懸頂面積大。垮落時，造成礦壓顯現劇烈，影響了工作面的正常回采。為保證安全生產，采用水力壓裂技術對基本頂進行切頂卸壓。

2 水力壓裂設計

2.1 切頂卸壓方式的確定

當前常用的切頂卸壓方式主要有鉆孔爆破切頂、高壓預注水軟化和水力壓裂切頂等方式[6-8]，不同方式的對比見表1。

表1 不同切頂方式的對比Table 1 Comparison of different top cutting methods

根據邢東礦2129工作面的實際情況，直接頂和基本頂厚度相對較小，與石灰巖相比，強度較低，為此，選用水力壓裂切頂的方式。

2.2 水力壓裂切頂機理

煤層堅硬頂板在液體壓力和地應力的共同作用下，巖體內部原生裂隙和層理裂隙逐漸擴展并貫通。同時，水在高壓的作用下，形成水力裂縫，所有裂隙和裂縫的擴展形態及大小決定了水力壓裂的效果[9-11]。

將巖體簡化為均質、連續的脆性材料，采用固體力學、彈塑性力學、流體力學等理論分析不同參數下裂隙的擴展和起裂規律，建立圖2的裂隙擴展模型。

圖2 裂縫擴展示意Fig.2 Schematic diagram of crack propagation

根據斷裂力學理論，隨著壓裂液體壓力和流量的增大，水力裂縫和原生裂隙的寬度逐漸增大，當次生裂縫和原生裂隙的逼近角α為30°時，原生裂隙極易受到水力裂縫的影響。如果逼近角小，則原生裂隙的受力狀態會發生較大變化，容易發生失穩。在逼近角足夠小的情況下，水力裂縫極易與原生裂隙組合到一起，在巖體中形成弱面，弱面不斷擴大，不同的弱面組合到一起，在巖體內形成弱面網絡結構，破壞了巖體的完整性，從而促進頂板的垮落，減少垮落步距。

2.3 水力壓裂設計

2.3.1 注水壓力的確定

水力壓裂切頂卸壓的注水壓力一般按目標巖體的單軸抗拉強度計算，公式如下：

式中：P為注水壓力，MPa；k為安全系數，一般取1.2～1.4，在此取1.3；Pz為巖體內應力，與煤層賦存條件有關；R為目標層位的單軸抗拉強度，MPa。

根據邢東礦2129工作面的地質條件，代入計算可得，注水壓力不得小于15 MPa。

2.3.2 切頂高度的確定

巷道切頂后，垮落的巖層應能充滿采空區，按公式（2）計算：

式中：H為切頂高度，m；M為煤層采高，m；H1為采后直接頂板下沉量，m；H2為采后采空區底板鼓起量，m；K為目標巖層的碎脹系數。

代入計算可得，2129工作面的切頂高度不應低于20 m。

2.3.3 鉆孔布置

根據邢東礦的實際情況，設計采用3種不同的切頂鉆孔，如圖3所示。

圖3 水力壓裂鉆孔布置（單位：m）Fig.3 Borehole layout of hydraulic fracturing(unit:m)

Ⅰ類鉆孔在2129工作面運輸巷和運料巷內向工作面前方施工，鉆孔角度為向頂板方向傾斜30°，鉆孔深度為50 m。Ⅱ類鉆孔在兩巷內向非回采幫施工，角度為向上傾斜40°，深度為43 m。Ⅱ類鉆孔與巷道夾角為10°，鉆孔交替布置，鉆孔間距為20 m。

3 現場應用

3.1 主要設備

水力壓裂的設備主要包括地質鉆機、柱塞泵、封孔器以及相應的高壓膠管等，設備布置如圖4所示。

圖4 水力壓裂主要設備布置Fig.4 Main equipment layout of hydraulic fracturing

3.2 主要工藝

水力壓裂的流程主要包括鉆孔施工、封孔、注水、保壓以及觀測等工序。

（1）鉆孔施工并開槽。

利用地質鉆在巷道內指定位置施工水力壓裂鉆孔，每個鉆孔施工完成后，利用窺視設備對鉆孔進行檢查。在孔壁完整未塌孔的情況下，利用切槽鉆孔開槽。鉆孔施工可超前壓裂鉆孔2個，也可平行作業。

（2）封孔。

鉆孔施工并開槽后，調試壓裂儀器設備，利用注水鋼管將封孔器推入壓裂鉆孔中，利用手動泵進行加壓，加壓過程中隨時觀測鉆孔及壓力變化，如果壓力穩定，則證明封孔良好，可進行下一步工作，如果有水流出并且壓力下降明顯，則證明封孔有問題，需及時檢查處理。

（3）高壓泵加壓壓裂。

封孔完成后，連接高壓泵開始進行水力壓裂。為保證安全，壓裂鉆孔前后20 m范圍內設置警戒線，嚴禁無關人員通行。操作人員遠距離操作。

壓裂開始時，高壓泵先通水后通電，逐漸加大壓力。每個鉆孔采用后退式壓裂方式，間隔為2～3 m。在距離孔口一定距離時停止壓裂。

（4）壓裂監測。

在壓裂過程中，隨時關注高壓鍋和手動泵的壓力變化及頂板情況，如果壓力驟降或者頂板出現響動、錨桿索鉆孔出現大面積淋水等現象時停止加壓，利用封孔器卸壓，利用孔窺視儀觀察壓裂效果并及時記錄。

3.3 應用效果

3.3.1 支架工作阻力和來壓步距

根據支架工作阻力判斷工作面來壓情況，在推進前50 m的過程中，2129工作面僅來壓一次，為初次來壓，未觀測到周期來壓，并且初次來壓期間，由支架工作阻力監測可知，動載系數為1.86。在采用水力壓裂切頂后，在60 m的推進距離內監測到3個周期來壓，平均步距為20 m，且平均動載系數僅為1.52。

3.3.2 工作面煤壁片幫統計

未切頂前，工作面回采過程中多次發生片幫情況，最大片幫長度為1.5 m，最大片幫深度為0.6 m。水力壓裂切頂后，工作面片幫狀況明顯好轉，未觀測到片幫尺寸大于0.4 m的片幫。

3.3.3 巷道變形統計

工作面初期回采過程中，由于回收的是大巷保護煤柱，經歷了多次回采的影響，因此巷道變形嚴重，尤其是底板下沉和底臌，變化量較大，對生產造成了影響。采用水力壓裂切頂后，巷道變形明顯減小，底板下沉和底臌量有大幅減小，對生產無影響。

4 結 論

（1）與鉆孔爆破和注水軟化等切頂方式相比，水力壓裂成本低，可靠性高，是邢東礦2129工作面頂板理想的切頂方式。

（2）高壓注水使得水力裂縫與原生裂隙組合到一起，在巖體內形成弱面網絡結構，破壞了巖體的完整性，從而促進頂板的垮落，減少垮落步距。

（3）水力壓裂切頂后，2129工作面來壓步距和來壓強度均明顯減小，巷道頂板下沉和底臌量大幅度下降，煤壁片幫明顯好轉，取得了較好的卸壓效果。