水力壓裂技術(shù)在布爾臺煤礦頂板控制中的研究及應(yīng)用

焦樂

摘 要：針對采空區(qū)頂板厚度大、硬度高、難垮落帶來的沖擊壓力問題，本文以神東礦區(qū)布爾臺煤礦42106綜放工作面為工程背景，提出高壓水力致裂控制頂板技術(shù)，有針對性地設(shè)計(jì)了具體的實(shí)施方案并應(yīng)用于工程實(shí)際。通過理論分析、現(xiàn)場觀測和數(shù)據(jù)對比等研究方法，得出水力致裂技術(shù)可有效弱化頂板難垮落巖層，減小垮落步距，抑制巷道變形，防止頂板沖擊壓力的產(chǎn)生，保證了工作面的安全高效生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：水力壓裂技術(shù)；頂板控制；煤礦

中圖分類號：TD327.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）14-00108-03

Research and Application of Hydraulic Fracturing

Technology in Roof Control of Botai Coal Mine

JIAO Le

（1.School of Energy Science and Engineering， Henan Agricultural University，Jiaozuo Henan 454000；

2.State Energy Group Shendong Coal Company， Botai Coal Mine，Ordos Inner Mongolia 017200）

Abstract： In view of the impact pressure caused by the large thickness， high hardness and hard collapse of the roof of the goaf， the high pressure hydraulic fracturing control roof technology was put forward based on the engineering background of the 42106 fully mechanized caving face in the boolai coal mine， Shendong mining area. The concrete implementation scheme was designed and applied to the engineering practice， and the theory was adopted. Through the theoretical analysis， field observation and data comparison and other research methods， it was concluded that hydraulic fracturing technology could effectively weaken the roof of the roof， reduce the fall distance， restrain the deformation of the roadway， prevent the impact pressure of the roof， and ensured the safe and efficient production of the working face.

Keywords： hydraulic fracturing technology；roof control； coal mine

在我國煤礦開采作業(yè)過程中，采煤工作面通常采用全部垮落法進(jìn)行采空區(qū)頂板管理。全部垮落法頂板控制的優(yōu)點(diǎn)是：頂板巖石隨采隨冒，工作面附近應(yīng)力及時(shí)釋放，由于冒落巖石的碎漲性，能及時(shí)支撐上覆巖層結(jié)構(gòu)，保障了工作面作業(yè)的安全性。然而，由于覆巖結(jié)構(gòu)及巖性的差異，國內(nèi)一些煤礦采空區(qū)頂板無法實(shí)現(xiàn)隨采隨冒，如頂板巖石強(qiáng)度較大、老頂厚度較厚、采動影響下節(jié)理裂隙不發(fā)育和整體性強(qiáng)等巖性因素，造成工作面采空區(qū)頂板大面積懸露，短時(shí)間內(nèi)無法垮落填充采空區(qū)[1，2]。隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，頂板懸露達(dá)到一定距離或面積時(shí)大規(guī)模垮落，對工作面形成強(qiáng)烈的沖擊壓力，危及工作面作業(yè)人員、設(shè)備及上下巷支護(hù)設(shè)施的安全，嚴(yán)重影響煤礦的安全生產(chǎn)。為此，針對這類厚度大、強(qiáng)度高和難垮落頂板，開展采空區(qū)頂板控制技術(shù)的研究具有重要的實(shí)際意義。

1 工程概況

神東礦區(qū)的布爾臺煤礦是一座年產(chǎn)千萬噸的特大現(xiàn)代化礦井。目前開采的42煤層埋深較大，42106綜放工作面平均埋深440m，工作面傾向長度309m，走向長度5 073m。在開采過程中，根據(jù)地質(zhì)資料可知，工作面直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度為5～25m，老頂為細(xì)砂巖，厚度為6～39m，頂?shù)装逯@孔綜合狀圖見圖1所示。工作面初次來壓步距為40m左右，工作面來壓期間支架平均載荷456.3bar，最大壓力520bar；工作面周期來壓步距為16.8m左右，來壓期間支架平均載荷397bar，最大壓力508bar。由于老頂厚度較大，結(jié)構(gòu)比較完整，不易斷裂，隨采動冒落的直接頂砂質(zhì)泥巖不能完全充填采空區(qū)，造成沖擊壓力嚴(yán)重，42106回風(fēng)順槽礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，底板和兩幫鼓起嚴(yán)重，部分錨桿錨索失效，頂板下沉明顯，給工作面的安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。為有效防止頂板事故的發(fā)生，礦方引進(jìn)水力壓裂技術(shù)來弱化頂板，以期實(shí)現(xiàn)工作面的安全高效生產(chǎn)。

2 水力壓裂頂板控制技術(shù)研究

2.1 水力壓裂技術(shù)原理

水力壓裂頂板控制主要是通過在堅(jiān)硬巖層中布置鉆孔，高壓水通過預(yù)先作業(yè)的鉆孔注入巖體內(nèi)部，在高壓作用下，堅(jiān)硬巖層中的裂隙會被擴(kuò)張、巖石強(qiáng)度被弱化，進(jìn)而產(chǎn)生更多的裂隙，原有堅(jiān)硬巖層的完整性遭到破壞，使頂板能隨著工作面的推進(jìn)及時(shí)垮落，減小頂板來壓強(qiáng)度，防止頂板大面積垮落造成的沖擊壓力。達(dá)到頂板垮落的安全及有效控制，保障作業(yè)人員及設(shè)備的安全。

2.2 水力壓裂技術(shù)方案設(shè)計(jì)

為了削減側(cè)向支承壓力及超前支承壓力對回風(fēng)順槽、工作面的影響，卸載頂板內(nèi)儲存的高應(yīng)力彈性能，設(shè)計(jì)在工作面回風(fēng)順槽內(nèi)向上覆巖層實(shí)施水力壓裂鉆孔，目的是壓裂基本頂巖層，關(guān)鍵是設(shè)計(jì)合理的鉆孔位置和范圍，有效實(shí)施超前水力預(yù)裂，預(yù)先釋放老頂中積聚的彈性能。方案設(shè)計(jì)如下。

在42106回風(fēng)順槽320～1 110m段進(jìn)行高壓水預(yù)裂施工。壓裂鉆孔布置分為2類：一類是在垂直順槽軸向方向布置壓裂鉆孔S；另一類是沿順槽軸向方向布置壓裂鉆孔L，與軸向夾角10°布置。兩類鉆孔的開孔位置均相距15m，鉆孔深度為40.5m，每次壓裂時(shí)間為30min。巷道及鉆孔布置如圖2所示。正幫側(cè)鉆孔-S，鉆孔長度40.5m，傾角50°，見圖3；副幫側(cè)鉆孔-L，鉆孔長度40.5m，傾角50°，見圖4；巷道軸向方向鉆孔布置剖面圖如圖5所示。

3 水壓致裂現(xiàn)場應(yīng)用及效果分析

將上述設(shè)計(jì)方案應(yīng)用于42106綜放工作面回風(fēng)順槽，超前工作面實(shí)施水壓致裂，當(dāng)工作面推進(jìn)至320m時(shí)，頂板進(jìn)入水預(yù)裂區(qū)域。根據(jù)現(xiàn)場觀測，巷道高度及寬度變化如圖6和圖7所示。

從圖中可以看出，經(jīng)過高壓水預(yù)裂的區(qū)域頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平棵黠@減小，未采取水壓致裂時(shí)巷高最小達(dá)2.3m，巷寬最小為3.5m，而回風(fēng)順槽設(shè)計(jì)凈高3.6m，凈寬6m。可見，實(shí)施水力壓裂后明顯抑制了巷道的變形，從數(shù)據(jù)上看改善了近一倍；從現(xiàn)場來看，42106回風(fēng)順槽來壓較未預(yù)裂前頻繁了，來壓步距有所減小，來壓強(qiáng)度也相應(yīng)減弱，未出現(xiàn)特別劇烈來壓現(xiàn)象。

壓裂后，機(jī)尾及回順頂板可及時(shí)垮落，避免大面積懸頂?shù)男纬桑瑥母旧舷魅趿藦?qiáng)烈礦壓形成的條件。工作面實(shí)測懸頂面積見圖8。從圖8可知，水力壓裂有效削弱了頂板巖層中賦存的高應(yīng)力，釋放了存儲在頂板巖層中的彈性能，避免能量突然釋放引起圍巖劇烈變形，壓裂范圍內(nèi)頂板的巖爆聲也大幅降低。

4 結(jié)語

通過對42106工作面回風(fēng)順槽上覆巖層實(shí)施高壓水力壓裂技術(shù)，對比未實(shí)施水力壓裂技術(shù)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)論。

①通過頂?shù)装逦灰屏考皟蓭臀灰屏康某掷m(xù)觀測，實(shí)施水力壓裂后，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平扛纳屏艘槐?，有效保障了巷道的圍巖狀況及巷道使用功能。

②通過對頂板懸露巖層的測量，實(shí)施水力壓裂后，頂板懸露面積不超過200m2，未實(shí)施水力致裂懸露面積大于1 600m2。比較可知，高壓水壓預(yù)裂能有效軟化頂板，減小老頂懸露面積，防止沖擊壓力的產(chǎn)生。

③通過現(xiàn)場應(yīng)用可以看出，實(shí)施水力致裂從根本上解決了頂板巖層內(nèi)部高應(yīng)力的突然釋放，改變了頂板巖層結(jié)構(gòu)和巖石力學(xué)性能，從根本上實(shí)現(xiàn)了弱化頂板巖層、削弱巖層中的高應(yīng)力，保證了工作面安全高效生產(chǎn)。

本文通過對水力致裂頂板控制進(jìn)行研究和應(yīng)用，可以為同類頂板的礦井安全生產(chǎn)提供技術(shù)參考和經(jīng)驗(yàn)，具有較大的推廣意義。

參考文獻(xiàn)：

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[2]黃炳香，趙興龍，陳樹亮，等.堅(jiān)硬頂板水壓致裂控制理論與成套技術(shù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2017（12）：2954-2970.