水力壓裂在采煤工作面初次放頂中的應用

王 偉

（山西焦煤汾西礦業(yè)（集團）雙柳煤礦，山西 柳林 033300）

現(xiàn)階段國內井工開采礦井普遍采用全部垮落發(fā)管理頂板，但是當開采煤層頂板為完整性好、穩(wěn)定性強以及厚度較大的堅硬頂板時，頂板無法實現(xiàn)隨采隨垮，往往導致采空區(qū)大面積懸空[1-3]。采空區(qū)懸空頂板不僅導致采面瓦斯涌出量增大、礦壓顯現(xiàn)異常而且當頂板突然垮落時會導出現(xiàn)劇烈動力沖擊災害，給煤炭正常開采帶來顯著影響[4]。眾多的研究學者展開研究，其中薛德平[5]等針對堅硬頂板采空區(qū)懸空面積大問題，采用深孔預裂爆破方式進行放頂，實現(xiàn)了頂板弱化，降低采空區(qū)頂板懸空面積；齊學元[6]采用深孔注水方式對頂板進行控制，明顯降低了頂板初次來壓步距。深孔預裂爆破在操作時容易產(chǎn)生有害氣體，同時爆破沖擊較為顯著，而水力壓裂采用高壓水弱化頂板，使用過程中不會產(chǎn)生有毒有害氣體[7-9]。文中就以山西某礦3506 綜放工作面回采為背景，提出將水力壓裂技術應用到初次放頂中，以期達到改善采面環(huán)境、提高煤炭生產(chǎn)效率目的。

1 工程概況

3506 綜放工作面回采的5#煤層埋深均值450 m，煤層厚度5.39 m，采高2.9 m、放煤高度2.49 m，采面設計推進1 205 m、斜長148.5 m。5#直接頂為中粗砂巖，厚度15.95 m，硬度8～12；基本頂為石灰?guī)r，厚度12.35 m，硬度7～13，屬于堅硬頂板。煤層底板為泥巖、砂質泥巖，厚度2.6 m。由于采面回采的5#煤層頂板堅硬，加之開采高度大，若采空區(qū)頂板懸空面積過大則會導致采面礦壓顯現(xiàn)異常、瓦斯涌出量增大等問題。為此，提出采用水力壓裂技術對初次放頂進行弱化，實現(xiàn)采空區(qū)頂板及時垮落。

2 水力壓裂技術應用

2.1 技術原理

當開采煤層頂板為堅硬巖層時，隨著采面回采頂板由于厚度大、穩(wěn)定、強度高，難以垮落，容易在采空區(qū)上覆形成較大面積的空頂區(qū)，隨著回采不斷推進采面區(qū)空頂面積不斷增加，當懸空距離超過頂板極限跨度時，出現(xiàn)切斷或者彎曲下沉破斷形式；在破斷時往往伴隨瓦斯異常涌出、礦壓異常顯現(xiàn)、冒頂或者片幫等情況，影響煤炭正常生產(chǎn)。頂板初次垮落后，隨著采面推進頂板周期垮落步距仍較大，形成懸臂梁結構，此時頂板結構較為穩(wěn)定，頂板周期破斷距離較長，破斷時會產(chǎn)生較為明顯的沖擊動力現(xiàn)象。因此，為降低堅硬頂板影響，在采面切眼、回采巷道掘進完成后，可提前對上覆堅硬頂板進行弱化，達到控頂目的。

采用水力壓裂技術對堅硬頂板進行處理，通過軟化堅硬頂板達到弱化甚至消除堅硬頂板懸頂效應，減小頂板初次垮落、周期垮落步距。通過水力壓裂技術對頂板進行弱化時，需提前施工水力壓裂鉆孔以便控制水力壓裂范圍、誘導水力壓力方向；在水力壓裂鉆孔施工完成后，在鉆孔內間隔10 m 進行橫向切槽作業(yè)，以便更好的控制水力壓裂裂隙擴展方向。通過提前對堅硬頂板進行弱化，當采面推進過弱化區(qū)后頂板可及時垮落至采空區(qū)內。

2.2 水力壓裂方案及壓裂流程

水力壓裂地面位于3506 綜放工作面，為降低壓裂對切眼設備安裝影響，將水力壓裂鉆孔布置在采面膠帶順槽、軌道順槽內。臨近的3504、3503 綜放工作面回采期間，由于未對頂板進行處理，采面初次來壓步距45～55 m、周期來壓步距分別為35～42 m，來壓時采面綜放支架受力明顯增加，回風隅角瓦斯量顯著增大。為此，采用水力壓裂技術在3506 綜放工作面初采期間進行頂板弱化。具體回采巷道內弱化鉆孔布置，如圖1 所示。

圖1 水力壓裂鉆孔布置圖

2.3 壓裂基本操作流程

沿著施工的水力鉆孔，采用KZ54 型切槽鉆頭在水力壓裂段制作切槽；退出鉆桿，采用鉆孔窺視儀觀察開槽效果，若效果較差時則可再次補開槽。

采用注水管將封隔器（跨式膨脹型）送至切槽處，并連接高壓膠管、手動泵等裝置對封隔器進行加壓，以便對橫向切槽段進行封孔。連接高壓注水泵、高壓注水管、壓力表等，在封隔段進行水力壓裂時，應通過壓力表密切關注注水壓力變化情況。

2.4 水力壓裂過程

在水力壓裂過程中對壓裂孔鄰近鉆孔出水情況進行監(jiān)測，以便判斷鉆孔間距合理性。在水力壓裂過程中鄰近鉆孔均有出水情況，表明水力壓裂產(chǎn)生的縫隙可與鄰近鉆孔孔隙聯(lián)通，鉆孔布置間距合理，可滿足頂板弱化需要。對水力壓裂過程中水壓進行監(jiān)測，具體軌道順槽、膠帶順槽內水力壓裂鉆孔水壓變化監(jiān)測結果，如圖2 所示。從圖中看出，軌道順槽內壓裂孔壓力最大為28.9 MPa，頂板巖層中縫隙擴展一般為26 MPa。在水力壓裂過程中水壓變化平穩(wěn)，未出現(xiàn)明顯增高或者降低情況，表明壓裂區(qū)域巖層穩(wěn)定、裂隙不擴展。

圖2 水壓變化監(jiān)測結果

3 現(xiàn)場應用效果分析

鄰近的3503、3504 工作面均未對堅硬頂板進行弱化，采面在回采期間初期來壓步距、周期來壓步距均較大，礦壓顯現(xiàn)明顯且頂板垮落期間瓦斯涌出量顯著增大。3506 綜放工作面堅硬頂板經(jīng)過水力壓裂處理后，3506 綜放工作面在推進至頂板弱化區(qū)域時采面推進約25～30 m 時直接頂即全部垮落，垮落矸石充填整個采空區(qū)。3506 綜放工作面在水力壓裂頂板弱化區(qū)域內回采時，初次來壓步距控制在30～38 m、周期來壓步距約為28～35 m，采面來壓期間綜放支架壓力變化不明顯、采面煤壁及頂板保持穩(wěn)定，同時回風隅角瓦斯涌出未明顯增加。

目前，水力壓裂技術已在該礦后續(xù)3508、2507 綜放工作面內應用，有效解決了采面初采期間頂板管理難度大、礦壓顯現(xiàn)異常等問題。

4 總結

將水力壓裂技術應用到5# 煤層堅硬頂板弱化中，可明顯降低頂板砂巖、石灰?guī)r巖層強度、完整性，有利于采面初采期間頂板及時垮落，確保初采安全。依據(jù)3506 綜放工作面現(xiàn)場情況，將水力壓裂鉆孔布置在采面回采巷道內，鉆孔間距為20 m、鉆孔孔深70 m、仰角20°，水力壓裂鉆孔壓裂頂板23.4 m，現(xiàn)場應用后高壓水壓力穩(wěn)定在17.9 MPa，期間注水壓力未有明顯波動。3506 綜放工作面在水力壓裂區(qū)內回采期間，采面推進25～30 m 時基本頂即可全部垮落，采面初次來壓步距、周期來壓步距分別控制在30～38 m、28～35 m，來壓步距較小，礦壓顯現(xiàn)不明顯，可為采面初采創(chuàng)造良好條件。