豹子溝煤業(yè)綜放工作面水力預(yù)裂初次放頂技術(shù)研究

陳金濤

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán) 蒲縣豹子溝煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000）

在煤礦開(kāi)采中，通常采用全部垮落法管理工作面采空區(qū)頂板，但我國(guó)大部分煤礦采空區(qū)頂板無(wú)法隨工作面推進(jìn)及時(shí)垮落，如巖石強(qiáng)度高、節(jié)理裂隙不發(fā)育、厚度大、整體性強(qiáng)、自承能力強(qiáng)等頂板巖層。此類(lèi)頂板的來(lái)壓步距往往較大，動(dòng)力現(xiàn)象明顯，威脅煤礦安全開(kāi)采。針對(duì)此類(lèi)難垮頂板，傳統(tǒng)的控制方法基本是以爆破為主，破壞頂板結(jié)構(gòu)，削弱其整體性，達(dá)到降低周期垮落步距和來(lái)壓強(qiáng)度的目的。然而該方法也存在工程量大、成本高、污染井下空氣等問(wèn)題，且對(duì)于淺埋深情況，爆破控頂易對(duì)地面及周邊環(huán)境的安全構(gòu)成一定威脅。本文以豹子溝煤業(yè)為例，采用水力壓裂切頂卸壓技術(shù)，保障礦井安全開(kāi)采。

1 概 況

山煤國(guó)際豹子溝煤業(yè)現(xiàn)生產(chǎn)水平為+1 050 m，10109 工作面井下位于一采區(qū)東北部，開(kāi)采9+10+11 號(hào)煤層。東側(cè)30 m 是山西晉煤集團(tuán)臨汾晟泰新夢(mèng)源煤業(yè)有限公司與豹子溝煤業(yè)的井田邊界，南部為10103 工作面采空區(qū)，西與回風(fēng)大巷、運(yùn)輸大巷和軌道大巷相連，北部為未開(kāi)采實(shí)體煤層。工作面的運(yùn)輸順槽斷面寬×高為5.2 m×3.2 m（掘進(jìn)斷面），回風(fēng)順槽斷面寬×高為5.0 m×3.2 m（掘進(jìn)斷面），如圖1 所示。9+10+11 號(hào)煤層采用綜采放頂煤的采煤工藝，沿底板回采，采高2.8 m，頂板采用自然垮落法管理。根據(jù)相關(guān)鉆孔資料，10109 工作面頂板巖性、節(jié)理、層理以及層位分布情況見(jiàn)圖2、表1。

表1 豹子溝煤業(yè)9+10+11 號(hào)煤層及其頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)特性參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of No.9+10+11 coal seam and its roof and floor strata in Baozigou Coal Industry

圖1 10109 工作面布置Fig.1 Layout of No.10109 Face

圖2 10109 工作面頂板鉆孔綜合柱狀圖Fig.2 No.10109 Face roof drilling comprehensive histogram

分析10109 工作面頂板鉆孔資料可知，其頂板主要為石灰?guī)r，9 號(hào)煤與10+11 號(hào)煤中間夾含泥巖層。10+11 號(hào)煤頂板巖性從下到上依次是0.53 m 泥巖、1.03 m 的9 號(hào)煤、12.9 m 石灰?guī)r。石灰?guī)r抗壓強(qiáng)度72.5 MPa，致密堅(jiān)硬；9 號(hào)與10+11 號(hào)煤層間夾矸泥巖抗壓強(qiáng)度為48.2 MPa，強(qiáng)度高，會(huì)大幅影響頂煤采出率。

與10109 工作面情況類(lèi)似的10107 工作面已回采完畢。但在10107 工作面回采時(shí)，頂板大面積懸露在采空區(qū)，短期內(nèi)不垮落；而一旦垮落，一次垮落的面積大、高度大，有強(qiáng)烈的周期性來(lái)壓。10107 工作面頂板的初次來(lái)壓步距也較大，可達(dá)35 m，來(lái)壓時(shí)有明顯的動(dòng)力現(xiàn)象，存在造成支護(hù)設(shè)備損壞，危及人身安全等惡性事故隱患，給礦井通風(fēng)、安全管理帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。同時(shí)由于在初次來(lái)壓前不進(jìn)行放頂煤作業(yè)，導(dǎo)致工作面在此期間的頂煤全部丟失頂煤回收量低。

因此，為了提高10109 工作面初采頂煤回收率，降低巷道壓力和變形破壞程度，通過(guò)分析研究，決定對(duì)10109 工作面進(jìn)行水力預(yù)裂放頂，為礦井的安全高效開(kāi)采提供技術(shù)保障。

2 水力壓裂原理與技術(shù)

水力壓裂是指裂紋由于其內(nèi)部液體壓力的作用而開(kāi)裂并擴(kuò)展的過(guò)程，由于應(yīng)用領(lǐng)域的不同，有時(shí)也稱(chēng)作水壓致裂或水力劈裂。水力壓裂技術(shù)廣泛應(yīng)用于石油、天然氣或地?zé)岬拈_(kāi)采及增產(chǎn)、放射性廢物的處置、地應(yīng)力的測(cè)量等領(lǐng)域。

水力壓裂切頂技術(shù)在煤炭開(kāi)采領(lǐng)域的應(yīng)用主要是指在鉆孔壓裂段預(yù)制裂縫，從而控制水力壓裂裂紋擴(kuò)展方向的技術(shù)，對(duì)堅(jiān)硬頂板的控制有著非常明顯的效果，主要表現(xiàn)在壓裂和軟化兩個(gè)方面，削弱頂板的強(qiáng)度和整體性，使采空區(qū)頂板能夠分層分次垮落，縮短初次來(lái)壓和周期來(lái)壓步距，達(dá)到減小或消除堅(jiān)硬難垮頂板對(duì)工作面回采危害的目的。水力壓裂技術(shù)具有安全性高、工程量小、成本低及適應(yīng)性強(qiáng)（如高瓦斯礦井）等特點(diǎn)。該技術(shù)已經(jīng)在晉城、潞安、邢臺(tái)、伊泰、中煤蒙陜、神東、神南礦區(qū)推廣應(yīng)用，取得了良好的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益。

3 水力壓裂切頂卸壓設(shè)計(jì)

3.1 主要施工機(jī)具

此次工程主要施工機(jī)具規(guī)格見(jiàn)表2。

表2 主要施工機(jī)具規(guī)格型號(hào)及技術(shù)參數(shù)Table 2 Main construction machinery specifications and technical parameters

3.2 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)10109 工作面頂?shù)装鍘r性綜合柱狀圖可知，工作面上方厚12.9 m 的K2石灰?guī)r和厚0.53 m的泥巖，屬于半堅(jiān)硬-堅(jiān)硬巖石，為水力壓裂的主要處理層位。鉆孔參數(shù)根據(jù)頂板巖層厚度、巖性、礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)與范圍，壓裂鉆孔布置如圖3 所示。

圖3 10109 工作面鉆孔布置Fig.3 Drilling layout of No.10109 Face

3.2.1 10109 運(yùn)輸順槽鉆孔布置參數(shù)及壓裂參數(shù)

10109 運(yùn)輸順槽距切巷老塘幫12 m 處，每隔8 m 布置1 組壓裂鉆孔，每組包含2 個(gè)鉆孔，即A孔和B 孔，孔徑56 mm。共布置A 壓裂鉆孔4 個(gè)，鉆孔距未開(kāi)采實(shí)體煤幫（外幫）0.5 m，鉆孔深度19 m，仰角50°，與巷道軸線平行，鉆孔編號(hào)分別為A1、A2、A3和A4；布置B 鉆孔4 個(gè)，鉆孔距順槽內(nèi)幫（煤壁幫）0.5 m，鉆孔深度21.5 m，仰角50°，水平角30°，鉆孔編號(hào)分別為B1、B2、B3和B4。壓裂鉆孔布置如圖4 所示。

圖4 10109 運(yùn)輸順槽鉆孔布置平、剖面圖Fig.4 10109 transport crossheading drilling layout plan,profile

A 鉆孔5 m 以內(nèi)不壓裂，K2 石灰?guī)r區(qū)段每2 m壓裂一次，A 孔壓裂7 次；B 孔5.5 m 以內(nèi)不壓裂，壓裂8 次。采用從孔底到外的倒退式壓裂方式，封孔器封孔壓力為10～16 MPa，壓裂壓力不低于25 MPa，每次壓裂保壓30 min。

3.2.2 10109 切眼鉆孔布置參數(shù)及壓裂參數(shù)

10109 切眼每8 m 布置1 個(gè)壓裂鉆孔（C 孔），C1距運(yùn)輸順槽8 m，布置C 壓裂鉆孔共計(jì)17 個(gè)，孔徑56 mm，鉆孔深度19 m，仰角為50°，與切巷軸線垂直，鉆孔編號(hào)分別為C1～C17。壓裂鉆孔布置如圖5 所示。

C 鉆孔3 m 以內(nèi)不壓裂，K2 石灰?guī)r區(qū)段每2 m壓裂一次，每孔壓裂8 次；采用從孔底到外的倒退式壓裂方式，封孔器封孔壓力為10～16 MPa，壓裂壓力不低于25 MPa，每次壓裂保壓30 min。

3.3 實(shí)施效果

根據(jù)豹子溝煤業(yè)采掘銜接部署，10109 工作面按水力壓裂設(shè)計(jì)方案現(xiàn)場(chǎng)施工水力壓裂鉆孔，于2022 年4 月14 日開(kāi)始進(jìn)行初采，于4 月30 日零點(diǎn)班工作面采空區(qū)頂板大面積跨落，回風(fēng)順槽頂板壓力明顯，工作面液壓支架工作阻力持續(xù)增加，上下隅角老頂全部跨落。

（1）工作面液壓支架最大工作阻力39.8 MPa，解決了回采巷道壓力大、變形破壞嚴(yán)重等問(wèn)題，有效降低巷道的維護(hù)成本和維護(hù)次數(shù)，與未卸壓相比，巷道總體變形量減少50%以上，降低返修率30%以上。

（2）該方案縮短了10109 綜放工作面的初次來(lái)壓步距，多回收原煤1.23 萬(wàn)t，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

（3）從安全環(huán)保生產(chǎn)角度，項(xiàng)目的實(shí)施減少了采空區(qū)丟煤量，防止采空區(qū)自燃發(fā)火，有效解決了上隅角懸頂問(wèn)題，防止瓦斯積聚，為綜放工作面安全高效生產(chǎn)提供保障，同時(shí)水力壓裂對(duì)工作面頂板可以起到一定的注水降塵作用，在保障一線工人職業(yè)健康方面具有積極意義。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)豹子溝煤業(yè)10109 工作面井下實(shí)際環(huán)境和作業(yè)條件，圍繞初采期間頂煤冒落困難、回收率低，回采巷道壓力大、變形破壞嚴(yán)重等問(wèn)題，從堅(jiān)硬頂板治理的角度出發(fā)，引入水力壓裂切頂卸壓技術(shù)，進(jìn)行了水力壓裂放頂工程?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐結(jié)果表明，水力壓裂切頂卸壓技術(shù)可以使頂板巖層定向壓裂、破壞頂板巖層的完整性，削弱頂板的強(qiáng)度和整體性，使采空區(qū)頂板能夠分層分次垮落，縮短初次來(lái)壓和周期來(lái)壓步距，達(dá)到了早垮落早放頂?shù)哪康模瑴p小了堅(jiān)硬難垮落頂板對(duì)工作面回采危害，確保工作面初放期間的安全生產(chǎn)，增加工作面的資源回收率，具有一定的推廣價(jià)值。