石灰?guī)r頂板綜采工作面水力壓裂放頂技術(shù)實(shí)踐

高李王

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)錦瑞煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 033000）

采空區(qū)懸頂面積大、來(lái)壓步距長(zhǎng)、強(qiáng)度大，嚴(yán)重影響工作面安全生產(chǎn)。水力壓裂治理堅(jiān)硬頂板是近年來(lái)煤礦堅(jiān)硬頂板治理的新技術(shù)，已在我國(guó)多個(gè)礦區(qū)進(jìn)行應(yīng)用，主要用于工作面初采放頂[1-2]，進(jìn)、回風(fēng)隅角懸頂治理，工作面堅(jiān)硬頂板治理，以及切頂卸壓等。本文通過(guò)錦瑞煤業(yè)水力壓裂放頂技術(shù)實(shí)踐，可為同礦區(qū)類似條件工作面頂板治理提供參考借鑒。

1 工程概況

錦瑞煤業(yè)為山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)兼并重組礦井，開(kāi)采5～9號(hào)煤層，生產(chǎn)能力1.2 Mt/a，礦井為低瓦斯礦井。8101綜采工作面主要開(kāi)采8號(hào)煤層，煤層屬自燃煤層，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。8號(hào)煤厚度1.2～3.5 m，平均厚度3.2 m，傾角為0°～11°，平均3°，含0～3層夾矸，厚0.05～0.39 m，巖性為泥巖或炭質(zhì)泥巖，煤層頂板為石灰?guī)r，底板為細(xì)砂巖（煤層頂?shù)装鍘r性見(jiàn)表1）；該工作面傾斜長(zhǎng)255 m，走向長(zhǎng)848 m，工作面埋深237～320 m，工作面為綜采一次采全高開(kāi)采，全部垮落法管理頂板。工作面運(yùn)輸順槽凈寬5.2 m，凈高3.0 m，凈斷面積15.6 m2；回風(fēng)順槽凈寬4.5 m，凈高3.0 m，凈斷面積13.5 m2；切眼凈寬7.5 m，凈高3.0 m，凈斷面積22.5 m2。根據(jù)巷道掘進(jìn)揭露，工作面400～440 m處有一5°～8°的褶曲構(gòu)造，運(yùn)輸順槽130 m處存在一條正斷層，斷層的斷距為1 m，無(wú)陷落柱。

表1 8 號(hào)煤層頂?shù)装迩闆r

名稱 巖石名稱 厚度/m 巖性特征偽頂 無(wú) 無(wú) 無(wú)直接底 砂紙泥巖、泥巖10.55～13.76灰黑色，半堅(jiān)硬，性脆，含豐富的植物葉部化石。

2 水力壓裂方案

錦瑞煤業(yè)8101工作面直接頂和老頂均為石灰?guī)r，石灰?guī)r總厚度最大為13.88 m，石灰?guī)r存在一定裂隙，但由于其整體強(qiáng)度高，在工作面回采期間堅(jiān)硬頂板不易垮落，造成工作面采空區(qū)大面積懸頂，初次來(lái)壓及周期步距長(zhǎng)，來(lái)壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈；且在工作面正?；夭善陂g，進(jìn)、回風(fēng)隅角端頭易出現(xiàn)大面積懸頂，空頂面積較大，易形成瓦斯積聚，影響工作面安全回采。因此，需對(duì)工作面堅(jiān)硬石灰?guī)r頂板進(jìn)行弱化治理，減小工作面初次來(lái)壓和周期來(lái)壓步距以及上下隅角的懸頂面積。

2.1 壓裂鉆孔布置

為了弱化工作面堅(jiān)硬石灰?guī)r頂板，需對(duì)工作面煤層上覆石灰?guī)r進(jìn)行整體弱化處理，水力壓裂鉆孔垂直布置深度應(yīng)大于頂板石灰?guī)r厚度13.88 m，據(jù)此確定，水力壓裂鉆孔垂直深度不小于16 m。壓裂鉆孔布置分為切眼鉆孔和順槽鉆孔。

（1）切眼鉆孔

8101工作面切眼鉆孔位于切眼頂板，分兩排布置，一排靠近采空區(qū)側(cè)巷幫，一排靠近工作面煤壁側(cè)巷幫，具體布置參數(shù)如下：①采空區(qū)側(cè)頂板鉆孔開(kāi)孔位置距巷幫1 m，鉆孔水平投影與切眼軸向平行，仰角為75°，鉆孔孔深為17 m，鉆孔直徑為75 mm，鉆孔間距為10 m，兩側(cè)鉆孔距兩側(cè)順槽巷幫分別為12 m和12.7 m；②工作面煤壁側(cè)頂板鉆孔開(kāi)孔位置距煤壁1 m，鉆孔垂直于煤壁向前，仰角為45°，鉆孔孔深為23 m，鉆孔直徑為75 mm，鉆孔間距為10 m，兩側(cè)鉆孔距兩側(cè)順槽煤體側(cè)巷幫分別為7.5 m。鉆孔布置見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 工作面鉆孔布置平面

圖2 切眼鉆孔剖面

（2）順槽鉆孔

為解決工作面周期來(lái)壓步距大、來(lái)壓強(qiáng)烈以及上、下隅角懸頂面積大的問(wèn)題，順槽巷道鉆孔也分兩排布置，一排位于工作面順槽煤體側(cè)巷幫頂角，一排位于工作面順槽遠(yuǎn)離工作面?zhèn)认飵晚敯?，具體參數(shù)如下：①順槽煤體側(cè)巷幫水力壓裂鉆孔位于巷道頂角處，鉆孔水平投影與順槽巷道軸向成75°夾角向采空區(qū)側(cè)傾斜，仰角為30°，鉆孔孔深為32 m，鉆孔直徑為75 mm，鉆孔間距為10 m，鉆孔距切眼煤壁25 m開(kāi)始施工；②遠(yuǎn)離工作面?zhèn)认飵晚敯邈@孔距巷幫0.5 m，鉆孔水平投影與巷道軸線平行，仰角為75°，鉆孔孔深為17 m，鉆孔起始位置距采空區(qū)側(cè)巷幫5 m開(kāi)始施工，鉆孔間距為10 m。鉆孔布置見(jiàn)圖1和圖3。

圖3 順槽鉆孔剖面

2.2 水力壓裂工藝

切眼內(nèi)水力壓裂施工在工作面安裝支架前進(jìn)行，順槽內(nèi)鉆孔水力壓力施工需超前工作面不少于50 m進(jìn)行施工。鉆孔內(nèi)水力壓裂采用倒退式施工，由內(nèi)往外每隔3 m進(jìn)行一次壓裂。為保護(hù)巷道頂板支護(hù)系統(tǒng)，防止切眼及順槽巷道頂板失穩(wěn)，錨索支護(hù)范圍內(nèi)不進(jìn)行水力壓裂施工，因此確定，各壓裂鉆孔孔口8 m不進(jìn)行壓裂施工，17 m鉆孔壓裂3次，23 m鉆孔壓裂5次，32 m鉆孔壓裂8次。

壓裂施工時(shí)先采用封孔器進(jìn)行封孔，封孔水壓為10 MPa；再采用高壓泵進(jìn)行水力壓裂，保壓時(shí)間根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定，一般不小于30 min，如果巷道頂板、巷幫或鉆孔中出現(xiàn)大量返水，則停止本次壓裂施工，退出進(jìn)行下一次壓裂。

3 效果分析

3.1 來(lái)壓觀測(cè)分析

錦瑞煤業(yè)8101工作面采用水力壓裂進(jìn)行工作面頂板弱化處理后，對(duì)工作面回采期間液壓支架壓力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，工作面老頂初次來(lái)壓步距為28.5 m，且工作面初采過(guò)程中支架壓力較為平穩(wěn)，最大支架壓力為5619 kN；工作面周期來(lái)壓步距為13.8 m，周期來(lái)壓時(shí)最大支架壓力6120 kN?？梢?jiàn)，高壓水力壓裂使頂板巖層裂隙貫通，破壞了頂板的完整性，堅(jiān)硬石灰?guī)r頂板得到有效弱化，減小了工作面采空區(qū)懸頂面積，降低了初次來(lái)壓和周期來(lái)壓步距，工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度降低。

3.2 進(jìn)、回風(fēng)隅角懸頂

在工作面回采期間對(duì)工作面進(jìn)、回風(fēng)角懸頂長(zhǎng)度進(jìn)行觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，進(jìn)、回風(fēng)隅角懸頂長(zhǎng)度為2～4 m，懸頂面積為4～8 m2，進(jìn)、回風(fēng)隅角懸頂面積得到控制，有利于工作面回風(fēng)隅角瓦斯管理。

4 結(jié)語(yǔ)

1） 錦瑞煤業(yè)8101工作面采用高壓水進(jìn)行頂板壓裂后，工作面老頂初次來(lái)壓步距為28.5 m，周期來(lái)壓步距為13.8 m，工作面來(lái)壓步距均得到降低；且進(jìn)、回風(fēng)隅角懸頂面積得到有效控制，懸頂面積為4～8 m2，有利于工作面回風(fēng)隅角瓦斯管理。

2）通過(guò)試驗(yàn)，水力壓裂可使頂板巖層裂隙貫通，破壞了頂板的完整性，有效弱化工作面堅(jiān)硬頂板，是一種綠色、安全的堅(jiān)硬頂板治理技術(shù)，且其適用范圍廣泛，更可適用于高瓦斯礦井。