堅(jiān)硬難垮頂板定向水力壓裂初次放頂技術(shù)研究

曹國選，劉成武

（陜西煤業(yè)化工集團(tuán)孫家岔龍華礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719314）

0 引 言

綜采工作面存在的堅(jiān)硬頂板難以垮落問題長期困擾著煤礦井下工作面的安全開采[1]。隨著回采工作面地不斷推進(jìn)，堅(jiān)硬頂板將在前方采空區(qū)形成大面積的懸頂，如果突然垮落將會(huì)造成人員傷亡及設(shè)備損壞[2-5]，尤其對(duì)于孫家岔龍華礦更加明顯。目前，大多數(shù)礦井利用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)提前處理綜采工作面的堅(jiān)硬頂板，效果顯著。但是，考慮到此技術(shù)在井下實(shí)施存在安全問題，因此，通過水力壓裂技術(shù)解決堅(jiān)硬頂板垮落問題已在國內(nèi)外廣泛推廣應(yīng)用[6]。經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)實(shí)踐證明：水力壓裂能有效地弱化堅(jiān)硬頂板的強(qiáng)度并破壞其完整性，使采空區(qū)頂板逐漸垮落，達(dá)到減小或消除堅(jiān)硬頂板對(duì)工作面回采危害的目的，在生產(chǎn)實(shí)踐中顯示出良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[7-10]。

基于上述背景，本文針對(duì)孫家岔龍華礦30203工作面存在的堅(jiān)硬頂板難以垮落的問題，現(xiàn)場實(shí)施定向水力壓裂初次放頂技術(shù)試驗(yàn)研究，以期得到工作面初次放頂管理方法，提升礦井工作面頂板管理水平，并為相似礦井治理堅(jiān)硬頂板難以垮落的問題提供一定的參考價(jià)值。

1 工程背景

陜西孫家岔龍華煤礦30203工作面所采煤層為延安組第三段3-1煤層，該工作面兩順槽煤層實(shí)測厚度2.50～3.20m，平均厚2.88m，屬中厚煤層，煤層傾角為1～3°，平均1°，為近水平煤層，夾矸1～2層。煤類以不粘煤（BN31）為主，塊狀、瀝青光澤、條痕為褐黑色、棱角狀、參差狀斷口、條帶狀結(jié)構(gòu)、內(nèi)生裂隙發(fā)育，屬半暗-半亮型煤。老頂為細(xì)、粉砂巖，厚度8.12～11.70m，灰色，夾泥質(zhì)及細(xì)粒砂巖薄層，顯示交錯(cuò)層理，含大量植物化石碎片，夾煤屑。直接頂為長石石英中粒砂巖，厚度為13.7～14.07m，灰白色、以石英為主，分選中等，次棱角狀淡、次圓狀，局部為鈣質(zhì)膠結(jié)、交錯(cuò)，少量脈狀層理。由礦井現(xiàn)場測試資料顯示：30203工作面頂煤強(qiáng)度平均值約為26.79MPa，粉砂巖巖層強(qiáng)度平均值為58.56MPa，中粒砂巖巖層強(qiáng)度平均值為80.32MPa，屬于典型的堅(jiān)硬難垮落頂板[11]。

2 堅(jiān)硬頂板定向水力壓裂控制技術(shù)

定向水力壓裂技術(shù)是指在施工頂板鉆孔內(nèi)利用水力割縫技術(shù)切割煤體形成預(yù)制導(dǎo)向槽，然后，密封鉆孔對(duì)其進(jìn)行水力壓裂，利用預(yù)制導(dǎo)向槽引導(dǎo)致裂裂紋發(fā)展方向，壓裂和軟化30203工作面煤層頂板，降低頂板強(qiáng)度，從而達(dá)到控制頂板災(zāi)害的發(fā)生。定向水力壓裂技術(shù)主要包括：割縫、封孔、定向壓裂三項(xiàng)工序。該系統(tǒng)主要由進(jìn)水管路、高壓水泵、水泵壓力表、蓄存壓裂介質(zhì)水和油的儲(chǔ)能器、手動(dòng)泵、手動(dòng)泵壓力表、快速連接的高壓供水膠管、封孔器等組成[12]，水力壓裂控制煤礦堅(jiān)硬難垮頂板工藝過程如圖1所示。

圖1 定向水力壓裂控制堅(jiān)硬頂板巖層示意圖

3 堅(jiān)硬頂板定向水力壓裂初次放頂試驗(yàn)

3.1 30203工作面頂板定向水力壓裂初次放頂方案

為減緩在30203工作面回來時(shí)初次來壓對(duì)液壓支架的破壞，確保初采安全。因此，在工作面切眼進(jìn)行定向水力預(yù)裂初次放頂試驗(yàn)，鉆孔朝向?yàn)楣ぷ髅嫱七M(jìn)方向，垂直于工作面切眼上仰布置。如圖2所示。此次，共計(jì)施工壓裂鉆孔18個(gè)，分別為壓裂鉆孔A和B。壓裂鉆孔A、B交替布置，間距均為10 m，壓裂鉆孔A長度為36 m，仰角25°，壓裂鉆孔B長度35 m，仰角為45°。鉆孔直徑為113 mm，采用水泥砂漿對(duì)壓裂鉆孔進(jìn)行封孔，兩種鉆孔封孔長度均為15 m。

圖2 堅(jiān)硬頂板定向水力壓裂切眼鉆孔布置示意圖

3.2 30203工作面頂板定向水力壓裂初次放頂試驗(yàn)效果分析

3.2.1 壓裂時(shí)間與壓力關(guān)系的分析

在進(jìn)行30203工作面頂板定向水力壓裂現(xiàn)場工藝時(shí)，安裝水壓儀監(jiān)測詳細(xì)的壓力變化情況，壓裂壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖3所示。

圖3 壓裂壓力隨時(shí)間變化曲線

由圖3可知：壓裂水壓主要集中在5～20 MPa之間，當(dāng)壓裂時(shí)間為30 min時(shí)，壓力較為穩(wěn)定，說明裂隙已經(jīng)張開，且再持續(xù)加壓30 min左右，可以保證裂隙擴(kuò)展充分。壓裂效果表明：當(dāng)壓裂達(dá)到一定程度后，頂板巖體開始形成新的裂縫或原生裂隙進(jìn)一步張開，裂隙一旦張開后，壓力有很小幅度的降低，然后維持在一定壓力水平，如此可使裂縫在30203工作面頂板中擴(kuò)展一定范圍，降低其頂板巖體的強(qiáng)度，最終，不同深度的鉆孔均實(shí)現(xiàn)了巖體的張開破壞，削弱了頂板巖體的完整性。同時(shí)，通過對(duì)頂板巖體注水也可以達(dá)到軟化頂板的作用。此外，進(jìn)行單孔多次壓裂，附近鉆孔及頂板錨桿、錨索均有水流出，因此，單孔多次壓裂可在頂板中產(chǎn)生多條裂縫并使大量裂隙貫通，有效弱化頂板巖層，使采空區(qū)頂板能夠分層、分次逐步垮落，消除難垮頂板產(chǎn)生的危害。

3.2.2 頂板垮落效果分析

30203工作面頂板定向水力壓裂初次放頂試驗(yàn)結(jié)束后，現(xiàn)場觀察與測定其頂板的垮落情況。當(dāng)試驗(yàn)完成后，30203工作面在機(jī)頭推進(jìn)了12.6 m，機(jī)尾推進(jìn)了14.5 m時(shí)，基本頂開始逐漸地向下垮落，直到工作面機(jī)頭推進(jìn)了23.1m，機(jī)尾推進(jìn)了26.6 m時(shí)，基本頂垮落基本完成。同時(shí)，通過監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)支架應(yīng)力變化的測試結(jié)果可知：當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束后，30203工作面初次來壓步距為24 m。工作面推進(jìn)過程中，支架壓力處于較穩(wěn)定的狀態(tài)，并無較大的波動(dòng)情況，頂板初次來壓峰值為5710 kN，其強(qiáng)度較低，工作面上下端頭支架后方基本沒有懸頂狀態(tài)。

4 結(jié) 論

針對(duì)龍華煤礦30203工作面存在的堅(jiān)硬頂板難以垮落的問題，提出通過定向水力壓裂技術(shù)解決堅(jiān)硬頂板情況下的強(qiáng)礦壓問題，在30203工作面現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明：30203工作面堅(jiān)硬頂板定向水力壓裂初次放頂試驗(yàn)完成后，整體效果明顯，降低了其頂板巖體的強(qiáng)度與完整性，頂板初次來壓步距減小，支架壓力無大的波動(dòng)變化。