厚煤層堅硬頂板工作面水力壓裂切頂卸壓技術(shù)研究

張躍錚

（晉能控股裝備制造集團，山西 晉城 048006）

1 概況

晉能控股寺河煤礦10109 工作面煤層厚5.56 m，傾角平均5°，綜采放頂煤開采，全部垮落法處理頂板。10109 工作面煤層上方為12.9 m 石灰?guī)r，致密堅硬。10107 工作面與10109 工作面相鄰，地質(zhì)條件相近。10107 工作面生產(chǎn)期間未采用切頂卸壓措施，回采巷道圍巖變形大，頂?shù)装遄畲笠平窟_206 mm，兩幫最大移近量310 mm，維護難度大。

2 水力壓裂堅硬頂板卸壓機理

水力壓裂是指將帶壓液體在鉆孔壓裂段釋放形成預制裂縫，通過控制水力壓裂形成的裂紋擴展方向[1]，隨著工作面推進，堅硬頂板沿著一定方向裂隙垮落，從而達到降低工作面壓力的目的，尤其是對堅硬頂板壓裂有較好的效果[2]。水力壓裂卸壓機理為：工作面在長壁開采時，頂板垮落的矸石承擔支撐部分上覆巖層重量，工作面礦壓與頂板垮落的步距息息相關(guān)。若頂板堅硬時（10109 工作面頂板為堅硬灰?guī)r，本身巖層承載較大），頂板懸而不垮，懸頂面積較大，工作面及回采巷道承載重力越大，致使圍巖變形較大，影響安全生產(chǎn)。水力壓裂卸壓主要作用為軟化或壓裂頂板，降低堅硬頂板的整體性，使其垮落步距減小，將上覆巖層部分重量轉(zhuǎn)移至采空區(qū)，從而減小或消除懸頂面積過大對工作面礦壓過大帶來的危害[3-4]。

3 水力壓裂切頂卸壓設計方案

1）工作面初次來壓水力壓裂卸壓方案

① 切眼鉆孔布置及壓裂參數(shù)。切眼共布置17個壓裂鉆孔，鉆孔間隔8 m，鉆孔編號分別為C1、C2、C3……C17。C1 距運輸順槽8 m，鉆孔直徑56 mm，深度19 m，與工作面推進方向呈50°，與切巷軸線垂直，鉆孔布置如圖1。壓裂參數(shù)為壓裂鉆孔從0～3 m 范圍內(nèi)不壓裂，K2 石灰?guī)r區(qū)段每2 m 壓裂一次，每孔壓裂8 次，壓裂方向從孔底到孔外，壓裂壓力在25 MPa 左右，壓裂時間不低于30 min，封口器封孔壓力10～16 MPa。

圖1 切眼鉆孔布置平剖面圖（m）

② 切眼端頭附近運輸順槽鉆孔布置參數(shù)及壓裂參數(shù)。該區(qū)域壓裂鉆孔共布置4 組，每組分A 孔和B 孔，孔徑均為56 mm，編號分別為A1～A4、B1～B4。所有A 鉆孔距離外幫（未開采實體煤幫）0.5 m，深度19 m，仰角50°，與巷道軸線平行；所有B 鉆孔距煤壁幫0.5 m，深度21.5 m，仰角50°，水平角30°。鉆孔壓裂參數(shù)為所有A 鉆孔5 m 以內(nèi)不壓裂，B 孔5.5 m 以內(nèi)不壓裂，K2 石灰?guī)r區(qū)段每2 m 壓裂一次，均壓裂8 次，壓裂方向、壓力、保壓時間與切眼內(nèi)壓裂參數(shù)相同。

③ 切眼端頭附近回風順槽鉆孔布置參數(shù)及壓裂參數(shù)。該區(qū)域壓裂鉆孔布置兩組，即D 孔6 個、E孔4 個，孔徑均為75 mm，編號為D1～D6、E1～E4。D 孔位于順槽內(nèi)煤幫頂角處，鉆孔深度29 m，仰角50°，D1、D2 鉆孔水平角分別為15°、30°，D3～D6 與煤壁垂直，D1、D2、D3 孔間距1 m，其余孔間距8 m；E鉆孔距煤柱幫0.5 m，鉆孔深度19 m，仰角50°，D、E 鉆孔壓裂參數(shù)與運輸順槽鉆孔A、B 孔相同。

2）工作面周期來壓水力壓裂卸壓方案

為減小工作面在正常回采階段周期來壓步距，減小工作面礦壓，在10109 回風順槽中布置水力壓裂鉆孔進行卸壓。在回風順槽布置兩組壓裂鉆孔L孔和M 孔，孔徑均為75 mm，孔深均為20.5 m，仰角均45°，兩組鉆孔間隔8 m，分別為139 個。L鉆孔與巷道軸線平行，M 鉆孔距煤柱幫0.5 m，壓裂參數(shù)為L 鉆孔、M 鉆孔不壓裂范圍分別為8.5 m、4.5 m 以內(nèi)，壓裂次數(shù)分別為6 次、8 次，壓裂順序、壓力、保壓時間與切眼端頭附近順槽內(nèi)壓裂鉆孔一致。

4 施工工藝

水力壓裂工藝流程主要包括封孔和壓裂[5-6]，水力壓裂示意如圖2。施工工藝為：1）壓裂設備安裝、連接、調(diào)試后，連接注水鋼管將封孔器推送至預定位置，從鉆孔底部向外依次進行壓裂，即退式壓裂法進行封孔、注水壓裂。2）用手動泵對封口器進行加壓，加壓至10～16 MPa，觀測壓力是否保持，若壓力降低或鉆孔中有水說明封孔失效，需檢查并解決問題，若壓力保持，說明封孔完好。3）壓裂之前，壓裂鉆孔兩側(cè)20 m 范圍內(nèi)不得有人逗留，操作人員距壓裂設備20 m 外，且在支護條件好的環(huán)境開啟水壓儀，高壓水泵先通水再通電，記錄壓力表、流量計等數(shù)據(jù)，加壓直到預裂縫開裂，此時壓力突然下降，持續(xù)加壓使裂紋繼續(xù)擴展，若頂板有水滲出，停止壓裂。4）壓裂結(jié)束后，高壓水泵斷電、斷水，對封口器進行卸壓，退出鉆孔，本次壓裂結(jié)束。

圖2 頂板水力壓裂示意圖

5 應用效果

1）水力壓裂鉆孔裂縫特征窺視

對壓裂的鉆孔進行鉆孔窺視，結(jié)果如圖3。窺視結(jié)果表明，經(jīng)過水力壓裂，在堅硬頂板中形成了裂隙，并逐步擴展貫通，在鉆孔淺部沿弱結(jié)構(gòu)面可形成一定的破碎帶，在鉆孔深部可形成縱向裂隙帶。

圖3 水力壓裂后鉆孔窺視結(jié)果

2）工作面圍巖變形及來壓情況

利用“十”字交叉法在10109 回風順槽布置巷道圍巖變形觀測點，經(jīng)過水力壓裂后巷道圍巖變形情況如圖4，頂?shù)装遄畲笠平繛?2 mm，兩幫最大移近量為106 mm，與10107 工作面未水力壓裂切頂圍巖變形相比分別下降了60%、66%。水力壓裂后，工作面回采期間初次來壓步距由原來的56 m減小到24 m，周期來壓步距由原來的平均34 m 減小到19 m 左右。

圖4 兩工作面圍巖變形量對比