高壓水力壓裂技術(shù)在堅硬頂板弱化控制中的應(yīng)用

焦世雄

（晉能控股煤業(yè)集團白洞礦業(yè)大同有限公司，山西 大同 037000）

同煤集團白洞煤礦在使用綜采放頂煤技術(shù)開采二疊系特厚煤層時，因工作面煤層頂板堅硬，回采過程中不會及時垮落，在基本頂初次來壓期間工作面礦壓表現(xiàn)極為劇烈，對工作面安全生產(chǎn)帶來較大影響。根據(jù)該礦煤層地質(zhì)情況及開采條件分析可知，僅僅依靠提高工作面液壓支架的支撐力來增強對頂板的支撐強度是不能有效降低工作面礦壓顯現(xiàn)強度的，還需要采取弱化頂板強度措施來緩解工作面高應(yīng)力集中問題，從根本上來解決工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈問題。為此，結(jié)合工作面實際開采條件，提出高壓水力壓裂弱化煤層堅硬頂板技術(shù)，經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用效果分析，取得了較好效果。

1 工程概況

15112 工作面位于15 采區(qū)南翼最上部，東部為15111 工作面采空區(qū)，西部為15 采區(qū)邊界臨近FB57 斷層下盤防隔水煤柱，南部為礦井邊界保護煤柱，北部為15 采區(qū)回風(fēng)、軌道和膠帶下山三條巷道。工作面傾斜長165 m，走向長1058 m，工作面開采二1 煤層，煤層平均厚度8.3 m，平均傾角5°，采用綜合機械化放頂煤開采工藝，采高為3 m，放煤高度為5.3 m，采用全部垮落法處理采空區(qū)頂板。工作面煤層直接頂為K2 石灰?guī)r與泥巖細(xì)粒砂巖互層，其中K2 石灰?guī)r硬度較大，平均厚度6.2 m，直接底為泥巖。

根據(jù)鄰近15111 工作面回采期間工作面礦壓觀測分析可知，工作面基本頂初次來壓步距為68.8 m左右，周期來壓步距25.7 m 左右。工作面基本頂初次來壓和周期來壓期間，頂板壓力顯現(xiàn)非常明顯且持續(xù)時間也非常長，工作面液壓支架立柱安全閥打開次數(shù)非常頻繁。初次來壓期間，支架立柱下縮較大，最大時可達到350 mm/h，來壓強度平均達到56 MPa 以上，周期來壓期間來壓強度平均達到42 MPa，礦壓顯現(xiàn)表現(xiàn)為工作面中部大于上下兩個端頭。在來壓期間工作面煤墻片幫程度及范圍也明顯增大，上下順槽巷道經(jīng)常還會出現(xiàn)點柱和坑木梁壓斷、剛性梁壓彎、巷道頂板下沉量增大等現(xiàn)象。

2 技術(shù)原理及施工工藝流程

2.1 高壓水力壓裂技術(shù)原理

地下巖層由于是由多種礦物質(zhì)組合而成，其整體結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，巖層中存在許多遇水容易發(fā)生膨脹變形的黏土層，巖體本身也存在大量節(jié)理和裂隙，具有各向非均質(zhì)的特性。巖體受到水的高壓作用力和長時間浸泡后，巖層結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)將會發(fā)生改變，巖層的黏結(jié)力下降、滲透性增強、抗壓能力降低，同時巖體內(nèi)部節(jié)理、裂隙也發(fā)生了二次發(fā)育和擴展，使巖體的整體結(jié)構(gòu)和強度被進一步破壞[1-2]。高壓水力壓裂技術(shù)就是利用水的高壓作用可以弱化巖體強度的特點，通過在堅硬巖層頂板內(nèi)施工預(yù)裂鉆孔后向巖體內(nèi)注入高壓水，在水的高壓和滲透作用下，使巖層內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)發(fā)生改變，裂隙、節(jié)理得到二次擴展和發(fā)育，致使巖體整體強度降低，從而實現(xiàn)弱化堅硬頂板的目的[3-6]。

2.2 高壓水力壓裂施工工藝流程

高壓水力壓裂施工工藝流程主要分為四個步驟[7-8]，分別為鉆孔—割縫—封孔—高壓注水，其使用的主要裝備有高壓注水泵及水箱、切槽鉆頭、鉆桿、專用封孔器、高壓管路、電器控制箱等，施工設(shè)備及系統(tǒng)布置如圖1。

圖1 高壓水力壓裂施工系統(tǒng)布置示意圖

在工作面進行高壓水力壓裂施工時，通常是在工作面切眼和進風(fēng)巷及回風(fēng)巷巷道內(nèi)布置鉆機，但當(dāng)巷道斷面達不到鉆機所需要求時可在巷道內(nèi)施工鉆場用于放置鉆機。鉆孔施工時按照鉆孔設(shè)計要求朝巷道頂板進行鉆進，為滿足鉆孔施工要求，要根據(jù)工作面巖層性質(zhì)及鉆孔設(shè)計參數(shù)來選取鉆機型號，同時為便于鉆孔和封孔作業(yè)順利進行，鉆孔位置應(yīng)選擇巖層壁面光滑、內(nèi)部無明顯節(jié)理裂隙和頂板離層的地點。當(dāng)鉆孔施工到預(yù)定位置后，將鉆頭更換為切槽鉆頭，在鉆孔底部切割出一個2 倍直徑的楔形槽（如圖2），并使用鉆孔窺視鏡對鉆孔開槽情況進行查驗。當(dāng)鉆孔開槽施工結(jié)束達到設(shè)計要求后先對鉆孔進行預(yù)沖孔處理，然后使用專用封孔器對鉆孔進行封孔，最后連接好高壓管路開啟高壓注水泵對鉆孔進行高壓注水壓裂頂板巖層。

圖2 鉆孔切槽示意圖

3 工程應(yīng)用

3.1 切眼內(nèi)鉆孔施工方案

在15112 工作面切眼內(nèi)沿傾向方向設(shè)計布置兩排水力壓裂鉆孔，其中一排鉆孔位于工作面切眼煤壁側(cè)，與水平方向成60°夾角，孔深7.0 m；另一排位于工作面切眼采空區(qū)側(cè)，與水平方向成80°夾角，孔深12.0 m。兩排鉆孔均設(shè)計距工作面底板2.5 m，孔間距為15 m，鉆孔直徑為75 mm。煤壁側(cè)鉆孔與采空區(qū)側(cè)鉆孔呈交錯布置，具體設(shè)計如圖3。

圖3 15112 工作面切眼水力壓裂鉆孔布置示意圖（m）

3.2 順槽鉆孔施工方案

在15112 工作面進風(fēng)順槽和回風(fēng)順槽內(nèi)回采側(cè)和煤柱側(cè)距巷幫1.0 m 位置分別設(shè)計布置一排水力壓裂鉆孔，鉆孔垂直于巷道頂板施工，鉆孔直徑為32 mm。其中巷道回采側(cè)鉆孔孔深為6.0 m，煤柱側(cè)鉆孔孔深為10.0 m，鉆孔間距均設(shè)計為8.0 m。巷道煤柱側(cè)鉆孔與回采側(cè)鉆孔呈交錯布置。15112 工作面順槽鉆孔布置如圖4（以回風(fēng)巷鉆孔布置為例）。

圖4 15112 工作面順槽力壓裂鉆孔布置示意圖（m）

3.3 水力壓裂施工技術(shù)參數(shù)

設(shè)計注水壓力為30～50 MPa，注水時間設(shè)計為30～40 min。在現(xiàn)場施工作業(yè)過程中，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況對施工參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整。

4 應(yīng)用效果

在15112 工作面回采初期，在工作面試驗應(yīng)用高壓水力壓裂技術(shù)對工作面堅硬頂板進行超前預(yù)裂施工，施工后利用鉆孔窺視儀對頂板壓裂效果進行窺視探查，結(jié)果如圖5。由圖5 觀察的結(jié)果分析可知，在孔口位置是頂板巖層的原生裂隙，未受到水力壓裂作用的影響，而在孔底位置則發(fā)育有多條明顯縱橫交替的裂隙，由此說明高壓水力壓裂作用取得明顯的效果。同時，在工作面回采過程中，對工作面礦壓變化情況進行在線監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果顯示，15112 工作面在回采過程中初次來壓步距為36.9 m，初次來壓強度為26.8～36.2 MPa，平均為32.6 MPa；周期來壓步距11.2～13.5 m，平均12.3 m，來壓強度18.2～21.4 MPa，平均19.8 MPa。工作面應(yīng)用高壓水力壓裂技術(shù)后，初次來壓步距和來壓強度比未應(yīng)用前分別降低了46.4%和41.8%，周期來壓步距和來壓強度分別降低了52.1%和52.9%；工作面初次來壓和周期來壓期間，工作面煤壁片幫最大長度2 m，片幫深度0.8 m，未出現(xiàn)大面積片幫和漏頂流煤現(xiàn)象。由此表明高壓水力壓裂技術(shù)能夠降低工作面堅硬頂板整體強度，達到弱化和控制的目的，為工作面安全生產(chǎn)提供有力保障。

圖5 15112 工作面水力壓裂鉆孔窺視情況

5 結(jié)語

通過在15112 工作面堅硬頂板巖層內(nèi)提前施工水力壓裂鉆孔，采用高壓注水方式對基本頂巖層進行切縫壓裂，使其內(nèi)部裂隙和層理形成二次發(fā)育?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，高壓水力壓裂技術(shù)能夠大幅度縮短工作面基本頂初次來壓和周期來壓步距，降低來壓強度，工作面頂板和煤壁得到有效控制，為工作面安全生產(chǎn)提供有效保障，為類似條件下工作面堅硬頂板弱化控制提供技術(shù)參考。