堅硬頂板回采工作面水力壓裂控頂技術(shù)研究

張鐵剛

【摘 要】 為了解決堅硬頂板回采工作面開采時面臨的頂板垮落困難、垮落步距大、礦壓顯現(xiàn)明顯等問題，根據(jù)6508回采工作面地質(zhì)、開采條件采用水力壓裂技術(shù)對頂板進(jìn)行壓裂，并對壓裂后的頂板垮落、來壓情況以及初次來壓步距等進(jìn)行分析。結(jié)果表明：水力壓裂后的采面初次來壓步距平均在44.5m，較采用預(yù)裂爆破技術(shù)來壓步距縮短8m，同時避免預(yù)裂爆破帶來的安全隱患大、爆破動壓明顯等問題，具有施工安全、工作量小、施工速度快、頂板控制效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，可以有效解決堅硬頂板工作面頂板難垮落問題，為礦井實現(xiàn)高效開采創(chuàng)造良好條件。

【關(guān)鍵詞】 堅硬頂板;水力壓裂;頂板控制;礦壓;來壓步距

【中圖分類號】 TD32 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2020）02-0010-03

我國煤炭開采頂板管理一般采用全部垮落法，但當(dāng)煤層頂板堅硬、節(jié)理裂隙不發(fā)育時，頂板不能隨煤層開采后及時垮落，大面積懸露于采空區(qū)內(nèi)。一旦垮落會出現(xiàn)強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)，甚至頂板垮落帶來的颶風(fēng)會沖垮回采工作面、造成風(fēng)流逆轉(zhuǎn)，給礦井生產(chǎn)埋下安全隱患。眾多的研究學(xué)者對堅硬頂板控制展開研究，潘岳等從理論方面出發(fā)，對堅硬頂板煤層回采期間老頂斷裂時的能量變化進(jìn)行計算求解;于斌等以塔山礦K3砂巖老頂為研究對象，對水力壓裂影響范圍進(jìn)行研究;黃炳香等在分析煤、巖體力學(xué)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對水力壓裂裂縫擴(kuò)展進(jìn)行研究，并提出對應(yīng)的裂縫擴(kuò)展控制技術(shù)，并在現(xiàn)場應(yīng)用?；诖?，文中以山西某礦6508回采工作面為研究對象，將水力壓裂技術(shù)應(yīng)用到堅硬頂板控制方面，以期能降低頂板下沉垮落期間引起的礦壓顯現(xiàn)，實現(xiàn)采面安全生產(chǎn)。

1工程概況

6508回采工作面開采6號煤層，埋藏深度在340～380m，采面傾向長300m，走向長2600m，煤層及頂?shù)装鍘r性見圖1。6號煤層直接頂泥巖，抗壓強(qiáng)度在4.3～17.6MPa，普氏系數(shù)（f值）在0.83～2.65;老頂為堅硬細(xì)粒砂巖，裂隙及節(jié)理不發(fā)育，抗壓強(qiáng)度在84.9～167.7MPa，普氏系數(shù)（f值）在9.17～16.32，平均13.6。根據(jù)以往開采經(jīng)驗，采面推進(jìn)50m時，老頂仍不能及時垮落，需要采用深孔爆破方式強(qiáng)制放頂。但是采用深孔爆破存在安全隱患大、爆破動壓明顯，爆破產(chǎn)生有毒有害氣體等問題。因此，在6508回采工作面采用水力壓裂控頂技術(shù)。

2水力壓裂控頂技術(shù)

2.1壓裂鉆孔布置方案

6508回采工作面老頂為厚度在13m左右堅硬砂巖，整體性強(qiáng)，裂隙、節(jié)理不發(fā)育，頂板初次垮落時需要采用頂板軟化措施。根據(jù)回采工作地質(zhì)、巷道布置情況以及有關(guān)水力壓裂技術(shù)研究成果，對采面水力壓裂鉆孔進(jìn)行設(shè)計，具體為：

在回采工作面開切眼內(nèi)施工壓裂鉆孔L、S，并在回采巷巷道內(nèi)布置兩個壓裂鉆孔A，壓裂鉆孔布置見圖2。

在切眼內(nèi)施工22個S鉆孔，鉆孔傾角40°，深度33m，鉆進(jìn)長度共計726m，具體布置見圖3（a）;布置17個L鉆孔，鉆孔傾角25°，深度35m，鉆進(jìn)長度共計595m，具體布置見圖3（b）。在回采巷道內(nèi)布置A鉆孔（A1-A4），傾角20°，孔深47m，鉆進(jìn)長度共計188m，具體布置見圖3（c）。

2.2水力壓裂鉆孔施工工藝

采用普通回轉(zhuǎn)鉆機(jī)施工水力壓裂鉆孔，在鉆孔內(nèi)安設(shè)封孔器，通過儲能器以及手動泵實現(xiàn)鉆孔封孔，最后連接高壓水泵進(jìn)行水力壓裂。鉆孔鉆進(jìn)可以與水力壓裂工作平行開展，但是作業(yè)間間距應(yīng)控制在50m以上。壓裂采用3ZSB80/62-90高壓水泵，電機(jī)功率為90kW。

壓裂時水泵進(jìn)水端為靜壓水，出水端與高壓膠管采用A型扣壓連接;高壓膠管另一端與注水鋼管用快速連接方式連接。檢查連接管路密閉性，確認(rèn)連接密實后高壓水泵通水后試運(yùn)行，無故障時正式壓裂。

在水力壓裂設(shè)備、管路連接、安裝、調(diào)試等工作完成后，將密封器推至壓裂位置，對封孔器進(jìn)行加壓，觀察鉆孔及壓力表，核驗封孔器是否保壓。若壓力降低明顯或鉆孔內(nèi)有水流溢出表明壓裂鉆孔封孔失效，需要對封孔器本身、各連接處進(jìn)行檢查，確保鉆孔封孔正常后方可繼續(xù)壓裂。

在壓裂中距壓裂孔50m外設(shè)警戒線，確保壓裂期間無其他相關(guān)人員通過，壓裂操作人員應(yīng)在距離壓裂孔外20m且支護(hù)條件良好位置。高壓水泵開始壓裂后應(yīng)緩慢加壓，同時記錄高壓水泵、手動泵壓力變化情況，繼續(xù)增加水泵壓力直至砂巖被壓裂出縫隙，此時壓力會突然降低，繼續(xù)保壓注水從而使得裂縫擴(kuò)展得以繼續(xù)，實現(xiàn)軟化頂板堅硬砂巖目的。當(dāng)監(jiān)測孔內(nèi)有大量壓裂水流出時，可停止壓裂，具體停止順序為：高壓水泵斷電→停水→封孔器卸壓→退出鉆孔。最后采用鉆孔窺視儀對水力壓裂效果進(jìn)行窺視。

3壓裂效果分析

3.1頂板垮落情況

2019年6月26日，6508回采工作面機(jī)頭推進(jìn)至11m位置、機(jī)尾推進(jìn)至7m位置處時，采面中部32～128號支架頂板開始垮落;27號機(jī)頭推進(jìn)至12.8m、機(jī)尾推進(jìn)至8.8m位置處時，采面機(jī)頭處3～32號、機(jī)尾129～173號支架頂板開始垮落;機(jī)頭推進(jìn)至21m、機(jī)尾推進(jìn)至18m位置時，采面兩側(cè)頂板垮落，此時采空區(qū)老頂全部垮落，具體采面推進(jìn)過程中老頂垮落記錄情況見表1。

3.2采面老頂來壓

回采工作面回采推進(jìn)過程中，每隔9個液壓支架布置一個壓力計對支架工作阻力進(jìn)行監(jiān)測，具體監(jiān)測結(jié)果見圖4。

7月2日回采工作面機(jī)頭推進(jìn)至36.5m、機(jī)尾推進(jìn)至32m位置時，采面10～22號支架率先來壓，工作阻力為38.6MPa，煤壁出現(xiàn)片幫（深度100mm以內(nèi)），10號、15號支架安全閥開啟。

7月4日回采工作面機(jī)頭推進(jìn)至48.6m、機(jī)尾推進(jìn)至38.5m位置時，采面25～33號、60～83號、125～138號支架來壓，工作阻力為39.5MPa，煤壁出現(xiàn)片幫（深度100～150mm），部分支架出現(xiàn)漏矸現(xiàn)象，32、62、65等支架安全閥開啟。