水力壓裂弱化技術在堅硬頂板采煤工作面的應用

張 功

（大同煤礦集團有限責任公司安全管理監(jiān)察局，山西 大同 037003）

1 工程概況

煤峪口煤礦307 盤區(qū)8703 工作面位于南信莊村南部，工作面走向長度為300m，傾斜長度為155m。11#煤層構造簡單，煤厚變異系數(shù)為28.90%，屬較穩(wěn)定煤層。11#煤層平均厚度為4.88m，平均傾角為4°。基本頂為粗砂巖與粉砂巖互層，平均厚度5.0m；直接頂為粉砂巖與細粒砂巖互層，平均厚度3.2m；偽頂為粉砂巖，平均厚度1.4m；直接底為細砂巖，平均厚度為3.3m。通過對已采工作面礦壓顯現(xiàn)數(shù)據(jù)進行分析，預測8703 工作面來壓期間，直接頂初次垮落的步距在10～20m 之間，基本頂初次來壓步距在40m 左右。為避免工作面堅硬頂板大面積突然垮落引發(fā)嚴重的沖擊礦壓、颶風等災害，擬在8703 工作面初采前對頂板進行水力壓裂弱化處理，降低堅硬頂板應力集中現(xiàn)象，保證工作面的安全回采。

2 水力壓裂弱化頂板技術

2.1 基本原理

工作面頂板巖層由諸多復雜的礦物質(zhì)組合而成，礦物質(zhì)中包含了許多遇水易產(chǎn)生膨脹的黏土礦物，在水的滲透作用下，巖體的結構、理化性質(zhì)會發(fā)生一定的變化，致使巖體礦物顆粒的黏結力降低，出現(xiàn)巖體強度下降現(xiàn)象[1]。水對巖體強度的影響主要體現(xiàn)在水壓影響與滲流影響兩方面。巖體作為一種具有節(jié)理、裂隙的各向非均質(zhì)性材料，在水壓作用下，巖體內(nèi)部礦物顆粒之間的摩擦阻力、巖體破裂面的正壓力均會出現(xiàn)不同程度的降低，隨著水體的滲流，巖體內(nèi)部的節(jié)理、裂隙會進一步地延伸與擴展，從而破壞巖體的整體結構，降低巖體的強度[2]。水力壓裂弱化堅硬頂板技術就是利用水對巖體強度的影響特點，利用高壓設備在堅硬、結構穩(wěn)定性較強的頂板巖層中注入高壓水，在水壓與水體滲流的共同作用下，破壞巖層的理化性質(zhì)，促使巖體內(nèi)部的節(jié)理與裂隙進一步發(fā)育、擴展，降低堅硬頂板的強度，實現(xiàn)對堅硬頂板的弱化控制[3]。

2.2 技術特征

（1）水力壓裂弱化頂板技術獨立性強，對工作面進行正常回采的影響性與干擾性較小。

（2）同傳統(tǒng)通過爆破強制放頂、控制巷道穩(wěn)定性的技術相比，水力壓裂技術具有更好的安全性，特別是針對高瓦斯礦井，水力壓裂技術具有較廣闊的應用前景[4]。

（3）水力壓裂鉆孔數(shù)量小，勞動強度低，施工效率高[5]。

（4）技術方法的操作性、適用性強。我國煤礦大多以長壁式綜合機械化采煤法進行煤炭的回采，由于工作面推進速度較快，對采空區(qū)頂板垮落的及時性有較高的要求，通過水力壓裂技術，能夠實現(xiàn)對堅硬頂板的定向壓裂，確保頂板能夠及時垮落。

3 工程實踐

3.1 鉆孔布置

3.1.1 切眼內(nèi)鉆孔布置

在工作面切眼內(nèi)沿煤壁正幫的位置處布置一排間距為15m 的定向鉆孔，鉆孔與頂板呈60°夾角，孔口位置距煤幫偏移0.5m，施工深度17m，垂深15m。如圖1 所示。

3.1.2 端頭順槽內(nèi)鉆孔布置

在工作面切眼端頭順槽內(nèi)布置8 個鉆孔，在距煤壁線20m 處打設第一個鉆孔，各鉆孔間距20m，鉆孔與頂板呈70°夾角?？卓谖恢镁喽祟^順槽副幫壁0.5m，施工深度16m，垂深15m。如圖2 所示。

3.2 鉆孔施工

設計在工作面頂板上共計布置7 個定向壓裂鉆孔，編號為1#～7#，即在2703 巷靠近切眼40m、60m 位置處布置2 個壓裂鉆孔，在8703 切巷靠近16#支架孔、42#支架孔、56#支架孔、90#支架孔位置處布置4 個壓裂鉆孔，在5703 巷靠近切眼40m的位置處布置1 個壓裂鉆孔。各壓裂鉆孔封孔段長度為14m，封孔段自前端進入老頂巖層，對頂板進行定向水力壓裂。各壓裂鉆孔施工情況如表1 所示。

圖1 切眼內(nèi)鉆孔布置剖面圖

圖2 端頭順槽內(nèi)鉆孔布置剖面圖

表1 鉆孔施工情況表

4 工程應用效果

4.1 水力壓裂裂隙擴展效果

經(jīng)過為期3d 的現(xiàn)場施工，上覆堅硬頂板水力致裂成套設備均能正常運行和使用。對8703 切巷靠近16#支架孔的壓裂情況進行觀測，確定水力壓裂裂縫的擴展半徑約為13～18m，裂隙擴展程度較高，水力壓裂施工效果較好。16#支架孔注水前與注水后孔內(nèi)裂縫對比圖如圖3 所示。

圖3 16#支架孔注水前與注水后孔內(nèi)裂縫對比圖

4.2 頂板冒落效果

在對堅硬頂板采用水力壓裂施工工藝后，對工作面初采期間的頂板冒落情況進行監(jiān)測。在工作面推進至10m 時，巷道直接自工作面中部向兩端持續(xù)垮落，工作面推進至16m 時，基本頂出現(xiàn)垮落，在6 天內(nèi)基本頂垮落完成。頂板垮落表現(xiàn)為分層、分次及時垮落，在整個垮落周期，工作面基本頂初次來壓步距約為25m，礦壓顯現(xiàn)強度較低，工作面未產(chǎn)生劇烈的震動現(xiàn)象，圍巖穩(wěn)定性得到了有效的控制，實現(xiàn)了安全回采的目標。

5 結語

堅硬頂板強度高、整體性強、隨工作面推進難以及時垮落的特點是造成礦井強烈沖擊地壓的重要因素之一。針對8703 工作面頂板進行了水力壓裂弱化處理，頂板冒放性大大提高，工作面礦壓顯現(xiàn)程度明顯降低。此外，在對頂板進行水力壓裂后，積聚在煤巖體內(nèi)部的游離瓦斯得到較好的釋放，在一定程度上避免了瓦斯積聚超限現(xiàn)象。水力壓裂技術在煤峪口煤礦8703 工作面頂板治理中取得了較好的應用效果，為礦井處理類似問題提供了一定的借鑒與參考。