綜采工作面水力壓裂頂板控制技術(shù)研究

劉麗俊

(山西石港煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉中 032600)

引言

在煤礦開(kāi)采中，通常采用全部垮落法管理工作面采空區(qū)頂板，我國(guó)大部分煤礦采空區(qū)頂板無(wú)法隨工作面推進(jìn)及時(shí)垮落，如巖石強(qiáng)度高、節(jié)理裂隙不發(fā)育、厚度大、整體性強(qiáng)、自承能力強(qiáng)等頂板巖層，煤層開(kāi)采后大面積懸露在采空區(qū)，短期內(nèi)不垮落。一旦垮落，一次垮落的面積和高度大，有強(qiáng)烈的來(lái)壓現(xiàn)象。并且，此類頂板的初次來(lái)壓步距往往較大，可達(dá)40～70m，甚至上百米，來(lái)壓時(shí)有明顯的動(dòng)力現(xiàn)象，常常造成支護(hù)設(shè)備損壞，危及人身安全等惡性事故。

1 1307工作面頂板水力壓裂試驗(yàn)

1.1 11307工作面概況

1307工作面開(kāi)切眼處在1307工作面的最南頭，它的北面是1307工作面，南面是西沙建筑樓房保護(hù)煤柱，開(kāi)掘四圍是實(shí)煤區(qū)，沒(méi)有采空區(qū)。煤層底板標(biāo)高是+820.3m，東面高西面低，煤層埋深340.8～357.05m。開(kāi)切眼預(yù)計(jì)長(zhǎng)300m，寬8m，開(kāi)切眼內(nèi)設(shè)置了1號(hào)和2號(hào)調(diào)車硐室，倒車硐室長(zhǎng)12m，寬5m，開(kāi)切眼和調(diào)車硐室的總長(zhǎng)是324m。結(jié)合1307工作面回風(fēng)巷煤層揭露與鉆孔ZK303、ZK305的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)煤層的平均厚度是3.3m。煤層的整體相對(duì)平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易沒(méi)有夾矸現(xiàn)象。

1.2 1307工作面水利壓裂設(shè)計(jì)原則

水力壓裂技術(shù)能夠很好地掌控工作面頂板初次垮落，有效地降低了頂板的完整程度，促使工作面頂板出現(xiàn)分層并迅速垮落。水力壓裂技術(shù)不但能夠很好地掌控頂板，而且還不會(huì)對(duì)工作面的正?；夭僧a(chǎn)生不利因素，可以有效防止因?yàn)槌^(guò)限度地壓裂與軟化給工作面頂板保護(hù)造成影響，杜絕因?yàn)樗毫褜?duì)頂板管理產(chǎn)生影響以及所有相關(guān)的危害。

1.3 1307工作面水力壓裂鉆孔布置

因?yàn)?307工作面的基本頂厚度很大，完整性強(qiáng)并且相對(duì)穩(wěn)定，因此首次垮落必須采用強(qiáng)硬手段來(lái)實(shí)施。筆者結(jié)合1307工作面的地質(zhì)狀況和水力壓裂理論的探究結(jié)論，把1307工作面難垮頂板水力壓裂初次放頂加以改進(jìn)。在開(kāi)切眼與巷道各設(shè)置壓裂鉆孔L與壓裂鉆孔S，在巷道各設(shè)置2個(gè)A孔，設(shè)置情況見(jiàn)圖1a。鉆孔進(jìn)尺總計(jì):726m(22個(gè)S孔)+595m(17個(gè)L孔)+188m(4個(gè)A孔)=1509m。鉆孔參數(shù):壓裂鉆孔L，鉆孔長(zhǎng)度是35m，傾角是25°，見(jiàn)圖1b;壓裂鉆孔S，鉆孔長(zhǎng)度是33m，傾角是40°，見(jiàn)圖1c;壓裂鉆孔A，鉆孔長(zhǎng)度47m，傾角是20°，見(jiàn)圖1d。

參考水泵電動(dòng)機(jī)功率是90kW，將高壓水泵通電;水泵進(jìn)水口連接靜壓水，出水口連接高壓膠管，高壓膠管的另外一頭和注水鋼管連起來(lái)，具體為:高壓膠管和水泵出水口采用A型扣壓連接方法，和注水鋼管采用快速連接方法，連接處“O”圈封閉;檢測(cè)每個(gè)連接部位，無(wú)失誤就給高壓水泵先通水再接電，調(diào)節(jié)正反轉(zhuǎn)，觀察水泵能否順利運(yùn)轉(zhuǎn)。

當(dāng)安裝、連接和調(diào)試的工作完畢之后，把注水鋼管連起來(lái)，然后把封孔器傳送到設(shè)定的地點(diǎn)(預(yù)裂縫處)。手動(dòng)泵加壓封孔器，監(jiān)管鉆孔和壓力表，檢測(cè)封孔器是否能夠保持壓力，如果發(fā)現(xiàn)鉆孔里面流出水來(lái)或者出現(xiàn)壓力降低的情況，就表示封孔失去作用，此時(shí)應(yīng)該檢測(cè)封孔器的每個(gè)連接點(diǎn)和封孔器自身，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行處理，保證封孔器的有效性。在離壓裂孔50m的地方設(shè)置警戒，測(cè)試階段除了作業(yè)人員以外其他人員不能入內(nèi)，操作人員和作業(yè)設(shè)施到壓裂孔的距離也要保持在20m以外，并且要呆在支護(hù)穩(wěn)固的區(qū)域。將高壓水泵先通水再接電，再逐漸加大壓力，并且隨時(shí)記下水泵壓力表和手動(dòng)泵壓力表的數(shù)值，持續(xù)加大壓力一直到預(yù)裂縫出現(xiàn)開(kāi)裂，這個(gè)時(shí)候壓力會(huì)馬上降低，保持壓力進(jìn)行注水促進(jìn)裂紋持續(xù)擴(kuò)大，并且還能使頂板不再堅(jiān)硬。當(dāng)4個(gè)監(jiān)測(cè)孔都涌出大量的水的時(shí)候，不再加大壓力，壓裂完成。高壓水泵先斷電再停水，將封孔器釋放壓力之后退出鉆孔，運(yùn)用窺視儀監(jiān)測(cè)壓裂情況。

圖1 1307工作面水力壓裂鉆孔布置

2 試驗(yàn)效果分析

2.1工作面頂板垮落情況

2017年3月20日上午工作面機(jī)頭推采到11m，機(jī)尾推采到7m的時(shí)候，30—130號(hào)支架頂板垮落；3月20日下午工作面機(jī)頭推采到12.6m，機(jī)尾推采到8.6m的時(shí)候，3—29號(hào)、131—174號(hào)支架頂板垮落。3月21日，機(jī)頭推采到20.4m，機(jī)尾推采到12.8m的時(shí)候，工作面兩邊的頂板垮落，采空區(qū)的頂板全都垮落。1307工作面水力壓裂頂板垮落狀況如表1所示。

表1 1307工作面水力壓裂頂板垮落情況統(tǒng)計(jì)

2.2 工作面基本頂來(lái)壓分析

工作面初采初放階段每9個(gè)支架選擇一個(gè)位置開(kāi)展壓力記錄工作，詳細(xì)記錄情況：2017年3月23日工作面機(jī)頭推采38.6m，機(jī)尾推采32m的時(shí)候，工作面10—22號(hào)支架基本頂發(fā)生來(lái)壓情況，支架壓力表的最大數(shù)值為38MPa，煤壁發(fā)生片幫，片幫深度不超過(guò)100mm，支架前方出現(xiàn)漏矸情況，部分支架的安全閥打開(kāi)。

3月24日機(jī)頭推采到48.4m，機(jī)尾推采到38.2m的時(shí)候，工作面25—33號(hào)、62—84號(hào)、124—137號(hào)支架基本頂來(lái)壓，支架壓力表的最大值是39MPa，煤壁發(fā)生片幫情況，片幫深度80～150mm，支架前方出現(xiàn)漏矸，部分支架的安全閥打開(kāi)，工作面中部頂板發(fā)生淋水情況。

3月25日機(jī)頭推采到56.6m，機(jī)尾推采到50.8m的時(shí)候，工作面139號(hào)—173號(hào)支架基本頂來(lái)壓，支架壓力表的最大值是38MP，煤壁發(fā)生片幫，片幫深度不超過(guò)100mm，支架前方出現(xiàn)漏矸情況，部分支架的安全閥打開(kāi)。

2.3 工作面初次來(lái)壓步距情況

經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)1307綜采工作面初采初放階段頂板的壓力狀況，明確基本頂初次來(lái)壓步距最小是35.3m，最大是53.7m，平均44.5m。該次1307綜采工作面采用水力壓力破壞基本頂?shù)恼w程度，跟預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂比較而言，基本頂初次來(lái)壓步距縮小8m左右，同時(shí)來(lái)壓期間來(lái)壓強(qiáng)度比較弱，能夠杜絕爆破造成的安全隱患，確保工作面初采初放的安全性。

結(jié)束語(yǔ)

1)水力壓裂能促使頂板巖層加快垮落，打破圍巖的整體結(jié)構(gòu)，減弱巖體的強(qiáng)硬程度，實(shí)現(xiàn)直接頂與基本頂?shù)难杆倏迓?，達(dá)成掌控初垮的目標(biāo)。

2)基本頂初次來(lái)壓步距最小是35.3m，最大是53.7m，平均44.5m。跟預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂比較而言，1307工作面基本頂初次來(lái)壓步距縮小8m左右，同時(shí)因?yàn)閬?lái)壓期間來(lái)壓強(qiáng)度相對(duì)較弱，能夠杜絕爆破造成的安全隱患，確保證工作面初采初放的安全性。

3)基于本礦的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，水力壓裂控制頂板技術(shù)具有工程量小、安全性高、施工速度快和控頂效果好等特點(diǎn)，能夠有效解決綜采工作面堅(jiān)硬頂板基本頂初次垮落步距大、支架壓力大等問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)礦井安全高效開(kāi)采。