215102 工作面堅(jiān)硬頂板水力壓裂技術(shù)研究

李建宇

（山西澤州天泰岳南煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

1 工程概況

岳南煤業(yè)有限責(zé)任公司主采15#煤層，煤層平均厚度3.8 m，煤層傾角0～3°。15#煤基本頂為8.35～10.55 m 灰黑色K2 灰?guī)r，屬堅(jiān)硬巖的穩(wěn)定頂板；15#煤層直接底為5.1～10.73 m 的鋁質(zhì)泥巖，有時(shí)中間夾一層厚1 m 左右的細(xì)粒砂巖。

K2 灰?guī)r完整性較好，屬堅(jiān)硬頂板，不易垮落，當(dāng)工作面回采后，易形成頂板懸頂面積過(guò)大，容易引發(fā)冒頂事故，因此需要對(duì)工作面頂板巖層進(jìn)行技術(shù)處理[1-4]。

2 方案設(shè)計(jì)

以215102 工作面為工程背景，計(jì)劃采用水力壓裂的方式對(duì)頂板巖層進(jìn)行處理。由于工作面作業(yè)空間狹小，將水力壓裂孔布置在工作面時(shí)，不僅施工難度大，而且會(huì)對(duì)工作面正常回采產(chǎn)生很大影響，因此設(shè)計(jì)將水力壓裂孔布置在回采巷道內(nèi)。受工作面影響，距離工作面太近時(shí)，圍巖應(yīng)力分布較為復(fù)雜，不易掌握水力壓裂路徑，為保證水力壓裂的效果，從超前工作面50 m 位置開(kāi)始布置水力壓裂孔。

2.1 壓裂孔布置方案

在回風(fēng)巷及運(yùn)輸巷對(duì)稱布置水力壓裂孔，水力壓裂孔垂直于工作面走向方向，孔直徑均為56 mm。其中A 類水力壓裂孔與水平面夾角為30°，深度為22 m，孔間距為30 m，從超前工作面50 m位置開(kāi)始布置；B 類水力壓裂孔與水平面夾角為18°，孔深35 m，孔間距為60 m，從超前工作面48 m 位置開(kāi)始布置。水力壓裂孔布置示意圖如圖1，水力壓裂孔布置參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 水力壓裂孔布置參數(shù)

圖1 水力壓裂孔布置示意圖（m）

2.2 觀測(cè)孔布置方案

為了解水壓致裂效果，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)應(yīng)A 類水力壓裂孔和B 類水力壓裂孔分別布置A 類觀測(cè)孔和B類觀測(cè)孔。如圖2 所示，觀測(cè)孔垂直于工作面走向方向，孔直徑均為56 mm。其中A 類觀測(cè)孔與水平面夾角為70°，深度為18 m，孔間距為30 m，從超前工作面52 m 位置開(kāi)始布置；B 類觀測(cè)孔與水平面夾角為25°，孔深30 m，孔間距為60 m，從超前工作面46 m 位置開(kāi)始布置。水力壓裂孔布置參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 觀測(cè)孔布置示意圖（m）

表2 觀測(cè)孔布置參數(shù)

3 工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)施工

按照前述設(shè)計(jì)方案，在215102 回采巷道施工水力壓裂孔及觀測(cè)孔。水力壓裂前，使用高壓水清潔水力壓裂孔，然后利用切槽鉆頭在水力壓裂孔孔底施工切槽，切槽完畢后將注水鋼管置入水力壓裂孔內(nèi)，同時(shí)利用封孔器進(jìn)行封孔，再進(jìn)行高壓注水壓裂。具體施工流程如圖3。

圖3 水力壓裂工藝流程示意圖

從安全角度考慮，水力壓裂過(guò)程中需注意以下幾點(diǎn)：

（1）鉆孔施工完畢后，檢查無(wú)誤并清空后才可進(jìn)行注水。

（2）切槽壓裂位置必須選在頂板巖層完整處，以免影響壓裂效果。

（3）進(jìn)行高壓注水壓裂前，必須對(duì)注水管及各個(gè)接口位置進(jìn)行檢查，密封完好才可進(jìn)行高壓注水壓裂。

（4）在水力壓裂施工位置前后100 m 處設(shè)置警戒線，無(wú)關(guān)人員禁止入內(nèi)。

（5）應(yīng)從孔底向孔口方向壓裂。

（6）水力壓裂過(guò)程中，需對(duì)注水時(shí)長(zhǎng)及注水壓力實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保壓裂效果的同時(shí)，嚴(yán)防高壓水沖出鉆孔引發(fā)安全事故。

3.2 水力壓裂前后工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

以未進(jìn)行水力壓裂的臨近工作面215105 工作面為對(duì)比，對(duì)215105 工作面及215102 工作面液壓支架工作阻力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。在工作面每隔10 架布置一個(gè)液壓支架工作阻力監(jiān)測(cè)儀，兩個(gè)工作面均布置15 個(gè)液壓支架工作阻力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線如圖4。

圖4 液壓支架工作阻力監(jiān)測(cè)曲線

如圖4 所示，未進(jìn)行水力壓裂的215105 工作面，初次來(lái)壓步距為55 m，周期來(lái)壓步距為20 m，來(lái)壓峰值為4700 kN；進(jìn)行水力壓裂的215102 工作面，初次來(lái)壓步距為35 m，降低了36.4%，周期來(lái)壓步距為15 m，降低了25%，來(lái)壓峰值為4000 kN，降低了14.9%?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，對(duì)巷道頂板巖層進(jìn)行水力壓裂后，初期來(lái)壓步距、周期來(lái)壓步距及礦山壓力來(lái)壓峰值均有所降低。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，在215102 工作面推進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)工作面推進(jìn)7 m 后，頂板巖層開(kāi)始出現(xiàn)部分垮落，當(dāng)工作面推進(jìn)12 m 后，頂板巖層已大面積垮落充填采空區(qū)，說(shuō)明水壓致裂對(duì)于解決頂板巖層大面積懸頂現(xiàn)象效果顯著。

4 結(jié)論

以岳南煤業(yè)215102 工作面為工程背景，針對(duì)工作面上覆巖層厚度較大且完整性較好，易大面積懸頂?shù)膯?wèn)題，通過(guò)理論分析及工程類比，提出采用水力壓裂的方法迫使頂板巖層在工作面回采后可以及時(shí)垮落充填采空區(qū)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)工作面頂板進(jìn)行水力壓裂，工作面初次來(lái)壓步距降低了36.4%，周期來(lái)壓步距降低了25%，來(lái)壓峰值降低了14.9%，且在工作面推進(jìn)12 m 后，頂板巖層便大面積垮落，水力壓裂治理工作面大面積懸頂效果良好。