水力壓裂技術(shù)在22116 工作面堅硬頂板弱化中的應(yīng)用

段奧東

（潞安集團潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 寧武 036700）

1 工程概況

潞寧煤業(yè)公司侏羅系大同組上部2#煤層22116工作面位于礦田西南部，工作面平均走向長度為1 877.233 m，傾向長155.8 m，煤層厚度3.5 m。工作面區(qū)域地層整體為一南東向傾斜單斜構(gòu)造，煤層走向N48°W，傾向S138°E。工作面區(qū)域內(nèi)煤層結(jié)構(gòu)簡單，中部夾不連續(xù)的薄層炭質(zhì)泥巖夾矸，煤層厚度1.0～5.0 m，平均厚度3.5 m，煤質(zhì)編號為氣煤，具有金屬—玻璃光澤，堅硬、性脆，局部煤質(zhì)松軟、破碎，煤層硬度為3.5，傾角7°～15°。煤層頂?shù)装鍘r性及厚度特征如圖1 所示。22116 工作面風(fēng)運巷均采用全錨網(wǎng)支護，運巷和風(fēng)巷的頂幫錨桿均采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規(guī)格為Φ22～24 mm×2400 mm，配套螺帽為高強度加長螺母。

圖1 22116 工作面煤巖柱狀圖

2 堅硬頂板等級及切頂高度分析

為制定合理的頂板控制方案，需首先確定采場堅硬頂板的等級，采場基本頂?shù)V壓顯現(xiàn)強度可由基本頂初次來壓當(dāng)量Pe來劃分，其計算公式[1]：

式中：N 為基本頂厚度比上采高；h 為采高，m；Lf為基本頂初次垮落步距，m。

潞寧煤業(yè)公司22116 工作面采高為3.5 m，基本頂為厚度16 m 的細粒砂巖，基本頂初次垮落步距計算公式[2]：

式中：h 為基本頂厚度，m；Rt為基本頂抗拉強度，MPa；q 為基本頂受到的垂直應(yīng)力載荷，MPa。

基本頂身重力引起的載荷q1=γ1×h1=24.8×16=396.8 kPa，上部第二層巖層對基本頂?shù)妮d荷：

因為（q2）1＜q1，可知頂板第二層巖層對基本頂基本無載荷，則可確定基本頂所受載荷q=q1=396.8 kPa，基本頂抗拉強度為5.90 MPa，計算可得基本頂初次垮落步距為35.62 m，代入式（1）計算得到基本頂初次來壓當(dāng)量Pe=975.4。根據(jù)《緩傾斜采煤工作面頂板分類》相關(guān)規(guī)定[3]，Pe=975.4＞975，則基本頂屬于III 級頂板，即礦壓顯現(xiàn)強烈類型頂板。

為避免22116 工作面及回采巷道受到劇烈礦壓影響發(fā)生破壞，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧敯暹M行弱化，而弱化的高度應(yīng)根據(jù)采場頂板的冒落帶高度進行確定。冒落帶高度計算公式[4-5]：

式中：M 為采高，m；β 為工作面傾角，（°）；Kp為頂板巖層碎脹系數(shù)。

22116 工作面采高3.5 m，傾角為12°，頂板巖層主要為堅硬的砂巖，碎脹系數(shù)取1.3，因此計算得到冒落帶高度為11.9 m，預(yù)裂垂直高度應(yīng)不小于11.9 m。22116 工作面上方均厚16 m 細粒砂巖、粉砂巖、泥巖交互巖層即為直接頂也為基本頂，為采場頂板弱化的主要對象。

3 頂板水力壓裂弱化方案

根據(jù)水力壓裂施工鉆場的不同可分為工作面水壓致裂和回采巷道水壓致裂。將鉆場布置在采煤工作面常面臨以下問題：鉆孔施工影響工作面的正常生產(chǎn)；水力壓裂鉆孔施工空間狹小，工作面效率較低；工作面前方頂板應(yīng)力狀態(tài)、破壞狀態(tài)復(fù)雜，水力裂紋軌跡難以控制；工作面每推進一段距離，需要停下來施工大量水力壓裂鉆孔，工程量大。將鉆場布置在兩側(cè)回采巷道內(nèi)能夠有效避免上述問題，因此確定22116 工作面頂板壓裂鉆孔布置在兩側(cè)回采巷道內(nèi)。工作面回采期間，將引起前方一定范圍內(nèi)的垂直應(yīng)力發(fā)生變化，超前支承壓力影響導(dǎo)致頂板巖層的應(yīng)力狀態(tài)更為復(fù)雜，水力裂紋的擴展軌跡將難以控制和預(yù)測，因此水力壓裂時應(yīng)選擇在接近原巖應(yīng)力的區(qū)域，即大于工作面超前支承壓力的影響范圍。22116 工作面壓裂時機確定為超前工作面80～150 m。

為保證采場兩側(cè)及中部頂板均得到良好的弱化，22116 工作面頂板設(shè)計三類壓裂鉆孔（A 類、B 類、C 類）。三類鉆孔的直徑均為56 mm，同一類鉆孔的布置參數(shù)相同。鉆孔布置平面圖如圖2 所示。距工作面開切眼50 m 開始布置鉆孔，鉆孔的終孔垂直高度均為16 m。三類鉆孔的詳細參數(shù)如表1 所示。

圖2 22116 工作面頂板水力壓裂鉆孔布置

表1 各類水力壓裂鉆孔參數(shù)

為保證每個鉆孔的壓裂效果，在每個鉆孔附近布置相應(yīng)的觀測孔，觀測孔直徑為56 mm。觀測孔的整體布置情況如圖2 所示，各類觀測孔的詳細參數(shù)如表2 所示。

表2 各類觀測鉆孔參數(shù)

22116 工作面采用定向水壓預(yù)裂技術(shù)弱化其頂板，主要施工機具有高壓泵、切槽刀具、水管等，每個鉆孔均進行四次水力壓裂。壓裂中心距孔口的距離詳見表3。水力壓裂后，預(yù)計水力裂紋分布如圖3 所示。22116 工作面回采巷道施工完成后，由切眼附近的回采巷道內(nèi)開始水力壓裂鉆孔的施工。鉆孔完成后，首先采用高壓水進行沖孔，然后將切槽鉆頭、封孔器、注水軟管及注水鋼管一并推入水力壓裂鉆孔內(nèi)，切槽鉆孔推至孔底后，通過注水軟管對封孔器進行注水。封孔完成后通過注水鋼管注入高壓水，當(dāng)頂板或鄰近觀測孔出現(xiàn)水流時，表明壓裂成功。重復(fù)以上工藝完成整個頂板的壓裂弱化。工作面開始回采前，首先完成距切眼200 m 范圍內(nèi)頂板的預(yù)裂，工作面投入生產(chǎn)后，超前工作面在100 m 左右進行定向水壓預(yù)裂技術(shù)弱化頂板。

圖3 22116 工作面頂板預(yù)計總體致裂效果

4 水力壓裂效果分析

為考察采場頂板巖層的弱化效果，在22116 工作面回采期間，將工作面分為上部、中部、下部三個測區(qū)，監(jiān)測、記錄液壓支架的工作阻力，整理可得未進行水力壓裂的22114 工作面和進行水力壓裂的22116 工作面支架工作阻力的變化規(guī)律如圖4 所示。圖4（a）所示為22114 工作面液壓支架工作阻力變化規(guī)律。三個測區(qū)液壓支架工作阻力的首個峰值出現(xiàn)在工作面推進約53 m 時，工作面繼續(xù)推進，液壓支架工作阻力又出現(xiàn)三個峰值，峰值間工作面推進平均距離為21 m。由此可知，22114 工作面基本頂初次來壓步距為53 m，周期來壓步距約為21 m，支架工作阻力峰值平均為4000 kN。圖4（b）所示為22116 工作面液壓支架工作阻力變化規(guī)律。首個峰值出現(xiàn)在工作面推進32 m 后，各峰值間平均距離約17 m?？芍卷敵醮蝸韷翰骄酁?2 m，周期來壓步距為16 m，峰值平均值為3180 kN。由此說明，采用水力壓裂技術(shù)對頂板進行弱化后，使基本頂?shù)某醮蝸韷汉椭芷趤韷翰骄嗑黠@減小，來壓強度同樣顯著減弱，能夠減小采場頂板懸露面積，有效防止大面積來壓引發(fā)的安全事故。

表3 各致裂孔注水位置參數(shù)

圖4 液壓支架工作阻力變化

5 結(jié)論

根據(jù)22116 工作面地質(zhì)條件，得到采場頂板冒落帶高度為11.9 m，基本頂初次垮落步距34.42 m，頂板屬于礦壓顯現(xiàn)強烈類型頂板，提出了用水力壓裂技術(shù)對頂板進行弱化。設(shè)計A 類、B 類、C 類三種壓裂鉆孔并施工相對應(yīng)的觀測孔，制定定向水力壓裂技術(shù)的施工工藝，監(jiān)測液壓支架工作阻力的變化規(guī)律。結(jié)果表明，水力壓裂技術(shù)減小了基本頂初次來壓和周期來壓步距，且來壓強度顯著減弱，能夠有效避免堅硬頂板的大面積來壓現(xiàn)象，為工作面的安全生產(chǎn)提供保障，該技術(shù)可進行推廣。