水力壓裂弱化頂板技術在18402 面初采中的應用

張智超

（山西焦煤西山煤電西曲礦，山西 古交 030200）

堅硬頂板煤層在我國大多數礦區均有賦存。由于煤層頂板強度較大，綜采工作面回采后采空區頂板垮落難度較大，導致采空區懸頂面積較大。當大面積懸頂一次性垮落后，將產生強烈的動壓現象，同時采空區有毒有害氣體會在頂板垮落過程中大量涌出，影響工作面安全生產[1-3]。針對堅硬頂板工作面懸頂面積大、礦壓顯現強烈問題，學者進行了大量的研究。楊俊哲等人根據堅硬頂板斷裂特征，揭示了關鍵層破斷回轉導致強動壓現象發生的機理； 楊智文等人采用頂板爆破弱化頂板技術降低工作面沖擊地壓現象； 陳廣帥等人采用預裂爆破技術，降低巷道支護強度從而減小工作面懸頂面積[4-6]。以西曲礦18402 工作面堅硬頂板條件為背景，為有效降低工作面礦壓顯現強度，對水力壓裂弱化頂板技術進行了研究，采用水力壓裂促使工作面堅硬頂板及時垮落，保證工作面安全生產。

1 工程概況

西曲礦18402 工作面開采的8 號煤層厚度平均為4.15 m，傾角平均為4°，煤層條件穩定，8 號煤層頂板堅硬，頂底板條件如圖1 所示。18402 工作面屬孤島工作面，工作面走向長度585 m，傾斜長度218 m，煤層埋深在126～250 m，周邊開采情況如圖2 所示。根據8 號煤其他工作面開采經驗，在未采取強制放頂措施下，工作面初次垮落步距可達30～40 m，端頭懸頂面積可達12 m2，甚至達到15 m2以上，懸頂面積超過可控范圍。

圖1 煤層頂底板綜合柱狀圖

圖2 18402 工作面布置

2 水力壓裂方案

水力壓裂作為弱化頂板強度的新技術，通過在巖層中注入高壓水，從而擴展巖體內部裂隙，加大堅硬巖層內節理裂隙發育程度，達到弱化頂板強度的目的。

針對8 號煤層堅硬頂板賦存條件，為減小工作面初采期間頂板斷裂步距，需采取措施促使下位L1石灰巖盡早斷裂垮落，同時使其上方6.8 m石英中粒砂巖頂板斷裂失穩，以減少該厚層堅硬頂板初次來壓的影響。因此，水力壓裂高度為煤層上覆石英中粒砂巖頂板高度，分析可知頂板斷裂高度為18 m。同時，針對端頭懸頂問題，需對中低位堅硬巖層預裂，以利于下位巖層的冒落，因此端頭水力壓裂頂板的高度為8 m。

2.1 工作面初采階段

18402 工作面初采階段切眼水力壓裂鉆孔布置在整個切眼及切眼端頭巷道30 m 范圍內。由于切眼內存在陷落柱構造，因此在陷落柱影響的50 m范圍內不進行水力壓裂，鉆孔從切眼50 m 處開始布置。具體方案如下：切眼內50～155 m 按照每組2 個鉆孔進行布置，每組鉆孔排距為15 m，分別為鉆孔A 和鉆孔B；在切眼156～213 m 段按照每組3 個鉆孔施工，分別為鉆孔A、鉆孔C 和鉆孔D，每組鉆孔排距為15 m。切眼靠近18402 副巷側僅在副巷內施工鉆孔E 和鉆孔F 兩組鉆孔，如圖3 所示。

圖3 工作面初采初放水力壓裂鉆孔布置

鉆孔A 從副巷平行于切眼向正巷施工，與水平夾角為60°，孔深20 m；鉆孔B 由切眼向煤壁方向施工，與水平夾角為50°，孔深23 m；鉆孔C由副巷向正巷施工，與水平夾角為45°，與切眼方向夾角為25°，孔深25.5 m；鉆孔D 由切眼向煤壁方向施工，與水平夾角為45°，孔深25.5 m。鉆孔E 和鉆孔F 采用交錯布置方式，鉆孔E 距副巷煤壁側巷幫0.5 m，與巷道走向平行，向采空區偏移45°，孔深25.5 m；鉆孔F 距副巷煤柱側巷幫0.5 m，與巷道走向夾角為10°，向采空區偏移45°，孔深25.5 m。水力壓裂鉆孔直徑均為65 mm。

2.2 端頭放頂

由于18402 工作面副巷區域存在陷落柱構造，初采期間端頭水力壓裂放頂僅在18402 正巷施工。鉆孔布置在18402 正巷內，每組鉆孔布置2 個，分別為鉆孔H 和鉆孔L，每組鉆孔間距為10 m，采用交錯布置方式。鉆孔H 與巷道煤柱幫距離為0.3 m，與頂板垂直施工，孔深為9 m；鉆孔L與巷道煤壁側巷幫距離為0.3 m，與頂板垂直施工，孔深為8 m。端頭巷道內水力壓裂鉆孔直徑為42 mm，如圖4 所示。

圖4 工作面初采初放水力壓裂鉆孔布置

3 現場應用與效果

3.1 水力壓裂情況

（1）切眼內壓裂情況

18402 工作面初采前對切眼內及切眼端頭巷道內的壓裂鉆孔A、B、C、D、E、F 進行水力壓裂，工作面正巷側鉆孔壓裂次數為6～9 次，切眼中部鉆孔壓裂次數為4～5 次，每次的壓裂時間為30 min，切眼內水力壓裂結束后開始初采。

（2）正巷壓裂情況

端頭水力壓裂為鉆孔L、H，18402 正巷內鉆孔水力壓裂過程如下： 鉆孔H 壓裂次數為4～7次，鉆孔L 第一天壓裂次數為3～5 次，注水壓力值為24～26 MPa。

3.2 效果分析

（1）初采初放期間壓裂效果

工作面推進9 m 時，工作面靠近正巷側頂板開始垮落；推進至19 m 時，工作面中部局部區域與工作面靠近副巷側頂板開始垮落； 推進至28 m時，工作面頂板全部垮落。

分析可知，工作面頂板在推進20 m 時開始大范圍垮落，推進28 m 時，工作面內頂板全部垮落。相鄰18403 工作面在采用爆破預裂技術時，初次來壓步距為30～34 m； 其他相鄰工作面在不采取強制放頂措施時，工作面初次來壓步距為30～40 m，平均35 m 左右。類比可知，在采用水力壓裂技術后，頂板垮落步距明顯減小。

（2）端頭壓裂效果

為直觀了解水力壓裂技術應用之后鉆孔裂隙的擴展情況，采用鉆孔窺視儀對鉆孔壓裂前后的影像資料進行了采集。對比分析可知，石灰巖堅硬頂板經水力壓裂之后，能夠產生明顯的水壓裂縫，降低了石灰巖完整性； 巖層淺處沿弱結構面形成了有效破碎帶，巖層深部沿弱節理結構形成了明顯的縱向裂隙帶，如圖5 所示。

圖5 正巷端頭懸頂水力壓裂鉆孔窺視效果

采用水力壓裂技術后，18402 工作面正巷端頭無懸頂，18402 工作面副巷端頭懸頂面積約2～6 m2，兩巷端頭懸頂面積可控制在規定范圍內。

4 結論

以西曲礦18402 工作面開采條件為背景，對堅硬頂板工作面初采水力壓裂頂板弱化技術進行了應用，結論如下：

1）通過分析頂板賦存情況，以及工作面初采來壓與端頭頂板斷裂特征，制定了水力壓裂鉆孔布置方案，確定切眼水力壓裂頂板高度為18 m，端頭水力壓裂頂板的高度為8 m。

2）根據工作面堅硬頂板賦存情況，確定切眼水力壓裂頂板高度為18 m，正巷端頭水力壓裂頂板的高度為8 m，并根據工作面初采來壓與端頭頂板斷裂特征制定了水力壓裂鉆孔布置方案。

3）現場進行了水力壓裂技術應用，結果表明，工作面頂板推進28 m 時全部垮落，工作面正巷端頭無懸頂。18402 工作面副巷端頭懸頂面積約2～6 m2，相比未采用水力壓裂措施的工作面，頂板垮落步距明顯減小，兩巷端頭懸頂面積控制在規定范圍內。