水力致裂改造采煤工作面端頭堅硬頂板的探索與應用

劉宏亮

（河南能源新疆龜茲礦業有限公司，新疆 庫車 842000）

1 概況

新疆龜茲礦業礦井位于捷斯德里克向斜北翼，為一單斜構造，傾角3°～20°。礦井A3 煤層A303 采煤工作面隨回采推進，其北部A303 軌道運輸順槽進入鄰近A305 工作面實體煤段，進而出現了靠近A303 軌道運輸順槽的工作面機尾段頂板垮落步距和懸頂面積增大，其尾巷最大懸頂長度18 m，垮落周期7～8 d，并由此導致工作面靠機尾段整體垮落滯后。在無外力干預的情況下，頂板懸露寬度達22 m，懸頂面積逾200 m2，危害極大。

A3 煤層直接頂為灰色中砂巖，平均厚度7 m，頂板完整，呈平行層理，裂隙不發育，局部有鼓包，成分以石英為主，含斜長石、鉀長石及少量黑色礦物，容重為2.82 g/cm3，單向抗壓強度66～78 MPa，屬于堅硬巖。井下綜采面布置結構如圖1。

圖1 A303 采煤工作面布置示意圖

為尋求解決A303 采煤工作面端頭頂板大面積懸頂造成的頂板及其次生災害的風險，礦井進行了一系列試驗探索，最終選擇了通過實施水力致裂改造頂板縫網技術弱化巖層結構[1-5]，以達到采煤工作面頂板控制的目的。

2 水力致裂基本參數設計

水力致裂改造頂板縫網是通過對鉆孔注入高壓水，利用巖層原生裂隙、層理面等應力弱面壓裂巖層，擴大、延展縫網，實現堅硬頂板的“定向”分層或切斷，破壞堅硬頂板巖層結構整體性，同時注水浸泡弱化頂板固有強度，以達到減少頂板初次和周期來壓步距、降低頂板應力集中和來壓強度的目的。水力致裂工藝流程主要為“鉆、封、壓”三步。因此在實施水力致裂改造頂板縫網時，必須對注水致裂層位、注水壓力、注水鉆孔間距和時間等基本參數進行科學合理的設計。

2.1 注水致裂層位

過高的注水層位將導致水力致裂效果減弱，起不到頂板弱化致冒的效果；過低的注水層位其致裂范圍有限。合適的注水層位應在滿足注水致裂保壓效果的基礎上，可以充分填充采空區空間為宜，在設計中可以考慮利用巖層層理面增大注水致裂效果。

在選擇滿足注水保壓層位時，可以忽略小型的頂板原生裂隙，以避免人為形成的導水通道為主。在有錨索支護的圍巖中，應避免此類孔隙造成的影響，應至少留有800 mm 以上的保壓層。新疆龜茲礦業A3 煤層支護錨索長度6.3 m，因此注水層位不應低于7.1 m。而對于采空區空間填充則根據巖層漲碎率進行計算，一般采用公式：

式中：Hm為選擇頂板水力致裂層位值，m；M為采煤工作面采高，m；C為采煤工作面綜合采出率，取93%；Km為頂板巖層漲碎系數，取1.38。

結合上述注水層位選取原則和計算結果，本次采煤工作面頂板注水致裂層位值宜選擇14 m。

2.2 注水壓力

水力致裂的機理之一是通過對鉆孔注入高壓水壓裂巖層，實現堅硬頂板的定向分層或切斷，其實質是利用大于巖體抗拉強度和巖體應力之和的注水壓力，實現破壞堅硬頂板巖層結構整體性的目的。因此在設計注水壓力時，需對頂板巖體的一般物理性質參數和巖體的賦存狀態有充分的了解并加以應用，據此設計注水壓力：

式中：P為設計注水壓力值，MPa；k為供液系數，取1.5；Px為巖體應力，取5.1 MPa；R為巖石極限抗拉強度，取6.8 MPa。

根據上式計算結果應作為注水壓裂的最低值和泵站選型的依據，實際注水致裂操作中，應大于該注水壓裂，根據實際驗證取18.8 MPa。

2.3 注水鉆孔間距和時間

由于各類巖體賦存條件差異較大，因此在進行注水致裂鉆孔和時間設計時，在同一煤層相似條件下的工程試驗是最準確的方法。首先以4 m、5 m、6 m 為間距進行單孔單段間隔注水致裂試驗，并記錄連續壓力變化情況和相應的時間。其水力壓裂曲線如圖2。

圖2 注水孔水力致裂曲線

試驗結果表明，壓裂開始時，水壓增加較快，鉆孔壁開裂時水壓通常較高約18 MPa，隨后壓裂稍微下降，以15 MPa 穩定水壓開始壓裂，說明頂板整體性好，裂縫不發育。大約15 min 后，壓裂區域附近鉆孔及錨索孔開始淋水并逐漸增大，待相鄰鉆孔開始淋水且壓裂區域錨索普遍淋水時，說明壓裂半徑至少＞10 m，相鄰鉆孔已貫通，此時停止壓裂。

注水鉆孔是外部水壓與巖體縫網聯系的通道，所有改造裂隙的形成均是以注水鉆孔為軸心向四周逐步發散，并最終形成根系狀縫網。在選擇注水鉆孔間距時，過大的間距不利于形成巖體相互導通的縫網，過小的間距不利于注水保壓，同時將大大增加“鉆、封、壓”等相關工作量。

3 水力致裂改造頂板縫網方案確定

使用CMS-4000/55 型礦用深孔鉆車配合Φ85 mm 鉆頭施工水力致裂注水孔。A303 軌道運輸順槽頂板水力壓裂鉆孔由最后一排頂板斷裂孔向外5.9 m 開始施工，以兩列分別布置在巷道中心線上（Sx孔）和巷道中心線偏回采幫1.1 m 位置（Bx 孔）。其中Sx 孔與巷道夾角0°，終孔朝向工作面采空區方向，深度16.3 m，孔間距5 m，平面仰角59°；Bx 孔與巷道夾角38°，終孔朝向工作面采空區偏工作面方向，深度19.9 m，孔間距5 m，平面仰角45°；Sx 孔與Bx 孔沿巷道走向交替錯位布置，錯距2.5 m。

水力致裂由工作面超前向外開始逐孔施工，單孔壓裂按5 段進行，單段注水長度1.5 m，其中S1-x 孔一段注水位置14.8～13.3 m、二段注水位置11.8～10.3 m、三段注水位置8.8～7.3 m、四段注水位置5.8～4.3 m、五段注水位置3～1.5 m；B1-x 孔一段注水位置18.4～16.9 m、二段注水位置13.9～12.4 m、三段注水位置9.4～7.9 m 四段注水位置5.9～4.4 m、五段注水位置3～1.5 m。

注水壓裂過程中觀察注水壓力變化和相鄰S1孔出水及周邊錨桿錨索孔情況并記錄。按上述方法依次完成注水壓裂，并記錄不同注水壓裂孔水壓、出水、注水時間等情況。井下水力致裂改造頂板縫網鉆孔及注水設計如圖3。

圖3 A303 軌道運輸順槽頂板水力致裂改造頂板縫網鉆孔及注水設計（m）

注水致裂供水壓力18 MPa，如注水壓力達到25 MPa 仍未壓裂，則采用間歇性注水方式保持30 min，期間專人觀察注水管路壓力表和附近頂板及淋水等情況；注水壓力小于18 MPa 并保持穩定時，則進行持續注水，保持時間不小于30 min。一段壓裂結束，通過拆卸底部連接桿方式將封孔器、連接桿等孔內外移，依次進行第二段、三段、四段、五段注水壓裂。

4 應用效果及分析

實施設計注水致裂改造頂板縫網措施后，9 月11 日9：20，工作面機尾段頂板出現第一次垮落；9 月14 日10：10，工作面機尾段頂板第二次垮落，垮落步距6 m；9 月17 日17：45，工作面機尾段頂板第三次垮落，垮落步距8.4 m；9 月20 日17：20，工作面機尾段頂板第四次垮落，垮落步距6 m。工作面機尾段垮落周期趨于持續穩定，且垮落周期間伴隨規律性頂煤垮落和小型頂板垮落。

綜上所述頂板垮落情況和工作阻力變化分析，采用水力致裂改造頂板縫網方式弱化A303 回采工作面機尾段頂板可以有效促進小步距周期性垮落，頂板垮落步距6～8.4 m 左右，比優化前降低了66.4%。垮落周期3～3.5 d；通過8 月份和9 月份同期（實施水力致裂改造頂板縫網前后）監測的工作面機尾區域平均工作阻力數據對比，可知頂板水力致裂在減小工作面周期來壓步距的同時，支架工作阻力峰值平均降低了約12.5%，對工作面液壓系統的穩定和支架承載能力有積極的作用。井下監測情況如圖4。

圖4 A303 回采工作面機尾區域2022 年8、9 月同期日平均工作阻力

A303 軌道運輸順槽采用水力致裂改造頂板縫網方式弱化頂板后，極大地縮短了尾巷頂板懸露長度，減小了工作面機尾段采空區頂板的懸頂面積，杜絕了大面積懸頂垮落情況。因此，認為該方式弱化頂板不僅有效解決了機尾懸頂面積過大造成的頂板大面積垮落形成風暴損傷人員的風險，而且縮短了頂煤垮落步距，極大地提高了工作面放頂煤效率和刀煤放煤量。

5 結語

1）根據本次應用實踐過程和效果分析，本文中提到采用的水力致裂基本參數選取方法和思路具有一定的參考價值，可作為水力致裂頂板形成縫網的普適計算方法。

2）水力致裂技術可以通過鉆孔、注水、憋壓和造縫將堅硬巖層切割為破碎巖體，降低巖體完整性，有效改變目標巖體的應力狀態，同時可以通過水的浸泡起到軟化巖層強度和降低粉塵的作用。

3）該技術將頂板垮落步距降低66.4%，將工作阻力峰值平均降低了約12.5%，杜絕了大面積懸頂垮落情況，顯著提升了井下作業的安全性。