水力壓裂技術(shù)在梅花井礦1106₁10綜采工作面堅硬頂板弱化中的應(yīng)用

孫昊 李立波 黃海鵬 黃輝 代永剛

摘 要：梅花井礦1106110綜采工作面頂板為堅硬的粉砂巖及粗砂巖，受采空區(qū)頂板垮落不充分、懸空面積大等因素的影響，采面采動壓力顯現(xiàn)明顯且回采巷道圍巖變形較大，給采面回采帶來較大制約。為此，提出使用水力壓裂技術(shù)弱化頂板，依據(jù)現(xiàn)場情況對水力壓裂方案等進行設(shè)計?，F(xiàn)場應(yīng)用水力壓裂技術(shù)后，采空區(qū)頂板可及時垮落，回采巷道底鼓及巷道幫變形量分別控制在356 mm和231 mm內(nèi)，后續(xù)維修工程量小，可滿足采面安全、高效回采的需要。

關(guān)鍵詞：堅硬頂板;水力壓裂;礦壓;圍巖變形

中圖分類號：TD327.2 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）18-0072-03

Abstract： The roof of 1106110 fully mechanized working face in meihuajing mine is hard siltstone and coarse sandstone. Affected by the factors of insufficient roof caving and large hanging area in goaf， the mining pressure appears obviously and the surrounding rock deformation of roadway is large， which brings great restriction to the mining. Therefore， the hydraulic fracturing technology was proposed to weaken the roof， and the hydraulic fracturing scheme was designed according to the field situation. After the hydraulic fracturing technology is applied on site， the roof of the goaf can collapse in time， the bottom heave of the mining roadway and the deformation of the roadway side are controlled within 356 mm and 231 mm respectively， and the subsequent maintenance quantities are small， which can meet the needs of safe and efficient mining of the mining face.

Keywords： hard roof;hydraulic fracturing;mine pressure;the deformation of surrounding rock

當(dāng)綜采工作面開采的煤層頂板較為堅硬時，回采過程中普遍存在采空區(qū)冒落不嚴實、不及時，工作面超前處壓力顯現(xiàn)劇烈的情況[1-2]。若采空區(qū)懸頂面積過大，采空區(qū)頂板一次性冒落后產(chǎn)生的沖擊波將對綜采工作面人員和設(shè)備造成極大傷害;若超前處與對應(yīng)回采巷道變形量大，會直接影響綜采工作面的正?；夭桑黾酉锏谰S修費用。通過強化回采巷道支護以及補強加固等方式雖然可減少巷道圍巖變形量，但是也存在勞動工作量大、需要頻繁加固等問題[3-6]。頂板堅硬巖層弱化是減少巷道圍巖應(yīng)力以及采動壓力集中程度的主要手段[7]。現(xiàn)階段，常用的頂板堅硬巖層弱化的技術(shù)措施包括深孔預(yù)裂爆破、水力壓裂以及CO2變相壓裂等。水力壓裂具有施工便捷、壓力大以及安全系數(shù)高等優(yōu)點，并且在施工過程中不會產(chǎn)生有毒有害氣體。梅花井礦開采的6-1煤頂板為堅硬的粉砂巖及粗砂巖，采空區(qū)內(nèi)頂板垮落不及時，導(dǎo)致回采巷道圍巖變形量較大。為了減弱采動影響導(dǎo)致的回風(fēng)巷與運輸巷超前處底鼓、變形破壞的現(xiàn)象，在1106110工作面開采過程中，從運輸巷及回風(fēng)巷進行水力壓裂，弱化頂板堅硬巖層，實現(xiàn)采空區(qū)頂板及時垮落，并降低回風(fēng)巷超前處、運輸巷超前處圍巖變形量以及后期巷道的維修量。

1 工程概況

1106110綜采工作面為11采區(qū)6-1煤南翼第五個工作面，東為設(shè)計21采區(qū);南以鴛鴦湖背斜軸為界;西為1106108工作面（回采完畢），留有30.0 m保護煤柱;北以主DF3斷層為界（距井筒保護煤柱線851.0～926.0 m）。其距上覆1102206采空區(qū)133.0 m;下伏煤層未采動。工作面標(biāo)高為+848.5～+1 067.0 m，對應(yīng)地表標(biāo)高+1 330.0～+1 393.0 m。走向長4 271.0 m，傾斜長223.1 m，開采的6-1煤厚的變化范圍為3.2～3.8 m，平均為3.5 m。具體6-1煤頂?shù)装鍘r性參數(shù)見表1所示。

由于6-1煤頂板巖層堅硬，采空區(qū)上覆頂板難以及時、完全垮落，導(dǎo)致采面動壓顯著，回風(fēng)巷超前處、運輸巷超前處在動壓影響下圍巖變形嚴重，極大地影響了工作面的正常開采。

2 水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用

水力壓裂技術(shù)是將高壓水注入目標(biāo)巖層中，通過水的作用使巖層產(chǎn)生新的裂隙或者使巖層中原有裂隙重啟，以便在巖層中形成連通的縫隙網(wǎng)絡(luò)，達到弱化巖層的目的。水力壓裂技術(shù)使用的主要設(shè)備包括高壓水泵、高壓軟管、封孔裝置（手動泵、儲能器封孔）等。

2.1 鉆孔參數(shù)

同一巷道斷面處鉆孔數(shù)量過多可能會導(dǎo)致此處巷道水壓預(yù)裂后圍巖難以管控，而鉆孔數(shù)量過少可能達不到預(yù)期效果。為此，在運輸巷、回風(fēng)巷超前工作面30 m位置分別施工1組水壓預(yù)裂鉆孔，鉆孔均布置在巷道下幫處，每組鉆孔包含5個水力壓裂孔，鉆孔間距5 m、孔深15 m、孔徑32 mm。鉆孔布置如圖1所示。

水力壓裂雖然能夠有效地切頂卸壓，但同時也會破壞頂板的完整性。如果沿煤層走向方向水壓預(yù)裂的長度太長、時間太早，當(dāng)工作面推進至水壓預(yù)裂區(qū)域時，會使此處頂板變得難以管控。通過現(xiàn)場反復(fù)試驗后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)每次水壓預(yù)裂的走向長度與該工作面平均每日推進距離一致時，水壓預(yù)裂應(yīng)用效果最佳。

2.2 水壓預(yù)裂工藝流程

在1106110綜采工作面運輸巷及回風(fēng)巷分別進行頂板水力壓裂。當(dāng)采面與壓裂鉆孔間距為15 m時，開始對鉆孔進行封孔，次日進行注水。工作面超前注水距離應(yīng)與每個生產(chǎn)班平均推進距離一致，以保證切裂后的頂板及時進入采空區(qū)。過早注水切頂會引起工作面超前處頂板下沉。具體水力壓裂過程為：①將麻布用14#鐵絲纏繞，綁扎從5 m長KJ10的高壓膠管尾部0.5 m處開始，麻布綁扎長度為3 m;②將A與B兩類聚氨酯混合后涂抹在麻布上，并迅速深入鉆孔內(nèi)，膠管尾部接截止閥和壓力表，管口外露鉆孔長度為0.5 m;③待聚氨酯膨脹凝固24 h，并確保將鉆孔封死后，在管口處用注水泵進行注水。在注水過程中，觀察壓力表讀數(shù)，當(dāng)壓力表讀數(shù)達到峰值并持續(xù)一段時間后，壓力表讀數(shù)開始下降，這時該孔注水結(jié)束，進行下一個孔的封孔注水。水壓預(yù)裂頂板示意圖如圖2所示。

3 應(yīng)用效果評價

3.1 采空區(qū)頂板垮落情況

以采空區(qū)垮落情況作為評價指標(biāo)。應(yīng)用水力壓裂技術(shù)前后采面采空區(qū)頂板垮落對比情況如圖3所示。水力壓裂前，采空區(qū)懸頂面積大，垮落不及時;在使用水力壓裂技術(shù)后，采空區(qū)垮落密實。兩巷水壓致裂后的采空區(qū)頂板垮落情況良好，基本做到了隨采隨冒，采空區(qū)內(nèi)垮落頂板可有效充填回采空間。

3.2 圍巖受力及變形情況

在采面回風(fēng)巷內(nèi)安裝YHY25型鉆孔應(yīng)力計，對水力壓裂前后圍巖內(nèi)部的壓力進行監(jiān)測，具體監(jiān)測結(jié)果見圖4。頂板水力壓裂后的運輸巷圍巖內(nèi)部壓力較壓裂前明顯降低，降低幅度平均達到65%;水力壓裂后圍巖中壓力值平均降至38 MPa。壓裂后圍巖應(yīng)力得以較好釋放，可為圍巖支護創(chuàng)造良好應(yīng)力環(huán)境，有利于圍巖穩(wěn)定。

在使用水力壓裂前，巷道變形嚴重，主要表現(xiàn)為底鼓、兩幫收縮?，F(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，底鼓、巷幫最大變形量分別可達到890 mm和630 mm，圍巖變形嚴重制約巷道使用;在使用水力壓裂后采面巷道變形量明顯減少，底鼓、巷幫最大變形量分別控制在356 mm和231 mm。

4 結(jié)語

梅花井礦1106110綜采工作面開采的6-1#煤層頂板堅硬、難以垮落，采動動壓影響顯著，為此，提出使用水力壓裂技術(shù)提前對1106110綜采工作面頂板進行切縫弱化處理。水力壓裂后頂板得以弱化，以便實現(xiàn)采空區(qū)頂板及時垮落，并降低采動動壓對回采巷道圍巖變形的影響。

現(xiàn)場應(yīng)用后，采面回采巷道底鼓以及巷幫變形量分別控制在356 mm和231 mm以內(nèi)，后期進行修繕即可滿足使用需要。水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用有效減少了綜采工作面巷道維修量，保證了工作面連續(xù)安全回采，并且直接節(jié)約125.6萬元費用。

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