水力預裂放頂技術在短壁回采工作面頂板控制中的應用

文/陳 竹

一、工作面概況

1.工作面位置

神華神東煤炭集團公司榆家梁礦52煤三盤區邊角煤短壁回采工作面位于榆家梁井田東北部，地屬新民蘆草畔村和店塔張明溝村。工作面地表為黃土溝壑區，地表標高：1322~1389m，最大高差67m。工作面南部為52煤回風、膠運、輔運三大巷，西部為52煤52309設計工作面未采動，北部為井田邊界，東部為52煤小窯新陽煤礦越界開采區。

2.圍巖特征及煤層賦存情況

工作面老頂巖性以細及中砂巖為主，屬較穩定型（Ⅱ），直接頂巖性以泥巖為主，塊狀，致密，厚度1.30~2.37m，屬不穩定型（Ⅰ）。底板巖性為灰褐色粉砂巖，塊狀，致密，厚度0.55~2.84m，遇水泥化，受回采塌陷地壓影響地段巷道底鼓嚴重。巷道圍巖特征如表1所示。

表1 巷道圍巖特征表

工作面煤層屬低變質煙煤，黑色，條痕褐黑色，瀝青或油脂光澤，線理細條帶狀結構，硬度大，賦存穩定，煤厚 2.2~3.0m，平均 2.8m，傾角 1°~2°，容重 1.31t/m3。后生裂隙發育，燃點315℃，單向抗壓強度為273~569（kg/cm2），堅固系數3.5。宏觀煤巖特征：以半暗型煤為主，局部半亮型煤占優勢，光亮型及暗淡型少見，宏觀煤巖組成中亮煤及暗煤含量較高，絲炭次之。

地層總的趨勢是以極緩的坡度向西傾斜的單斜構造，傾角1°~2°；斷層不發育，后生裂隙發育。

3.工作面設備配備

（1）短壁回采工作面全部使用引進的連采機及其配套設備施工。

（2）選用美國JOY公司制造的12CM15-10D型連采機來完成割煤和裝煤工序，選用JOY公司制造的10SC32-48B-5型梭車來完成煤炭運輸，利用GP460/150型破碎機完成煤炭的轉載和破碎工作，破碎機運出的煤炭通過DSP1063/1000帶式輸送機運出工作面到膠帶機頭經主運輸系統運出地面進入原煤倉。

（3）選用太原煤科院生產制造的CNMM25-4型錨桿機完成巷道支護工作，使用M.R.S.-17型線性支架來完成回采時的支護工作。

（4）選用UN-488型鏟車來完成材料、設備的運送和搬移，以及巷道浮煤的清理等工作。

（5）選用無軌膠輪車完成人員、物料、設備等的輔助運輸。

二、水力壓裂放頂技術介紹

1.壓裂裝置組成

頂板水力壓裂包括封孔、高壓水壓裂、保壓注水、壓裂監測等主要工序，該壓裂系統主要由以下幾部分組成：靜壓水進水管路、高壓水泵、注水管、蓄存壓裂介質水和油的儲能器、手動泵、高壓注水膠管、高壓封孔器、壓力流量監測儀。

2.壓裂工藝

采用水力壓裂技術控制煤礦堅硬難垮頂板工藝過程如圖1所示。

（1）采用橫向切槽的特殊鉆頭，預制橫向切槽，如圖1(a)所示，榆家梁煤礦頂板巖層不屬于堅硬巖石，無需實施開槽作業。

（2）利用手動泵為封隔器加壓使膠筒膨脹，達到封孔目的，如圖1(b)所示。

（3）連接高壓泵實施壓裂，如圖1(c)所示。

圖1 水力壓裂控制堅硬頂板巖層示意圖

（4）封孔工藝流程圖如圖2所示。封孔壓力為12~16MPa，嚴格按照圖2連接管路，保證連接處密封完好，試壓達到要求后投入使用。試壓時加壓到2~5MPa檢查密封情況。

圖2 封孔工藝流程圖

（5）加壓壓裂工藝流程如圖3所示。壓裂時間根據泵壓確定，泵壓穩定后停止壓裂。

圖3 加壓壓裂工藝流程圖

3.施工要求

（1）施工單位必須嚴格按照設計參數進行施工，工程質量要求遵從《煤礦安全標準化》的規定。

（2）工程施工期間，若遇到頂板、幫部條件不好或有異常狀況，必須及時采取加強支護措施。

（3）施工期間的積水、煤渣必須及時排放至規定地點，鉆孔和壓裂積水由排水泵通過排水管排走。

（4）鉆孔施工要求鉆孔盡可能平直，避免大幅拐彎導致無法實施壓裂。

（5）鉆孔前必須由現場技術人員、質量員共同標出鉆孔位置并編號，嚴格控制打眼方位、角度。

（6）壓裂過程中，安排專人觀測壓裂鉆孔附近頂板情況，出現漏水時停止此次壓裂，進行下次壓裂。

（7）壓裂過程中，在沒有出現大量漏水的情況下，壓裂時間不少于30min。

（8）壓裂過程中，要隨時觀測頂板支護情況，出現錨桿或錨索斷裂時，立即停止該孔壓裂，設置臨時支護，另行壓裂40m范圍以外的鉆孔，并及時進行補強支護。

4.施工工序

進入工作面進行瓦斯檢查→施工前保護原有管、纜線→鉆孔布置→鉆孔→封孔→壓裂→竣工驗收。

打眼機具：鉆孔采用全液壓ZDY1200S鉆機及配套鉆機平臺，鉆桿為長度1.5m的Φ42mm鉆桿，采用Φ56mm鉆頭。

5.壓裂工藝

（1）安裝、調試工作結束后，連接注水鋼管將封孔器推送至預定位置。

（2）手動泵加壓封孔器，待壓力達到12~20MPa后停止加壓，觀察鉆孔并監測壓力表，確保封孔器正常工作。

（3）距離壓裂孔10m處拉警戒，試驗期間除作業人員外禁止人員通行，操作人員以及作業設備應位于支護條件良好的位置。

（4）給高壓水泵先通水再通電，然后慢慢加壓，同時記錄水泵壓力表以及手動泵壓力表數據，繼續加壓直至預裂縫開裂。

（5）完成單孔多次壓裂作業。

6.壓裂過程中的頂板管理

（1）壓裂過程中頂板與支護觀測。在短壁回采工作面實施水力壓裂作業過程中，為保證壓裂過程中頂板及人員安全，加強頂板管理，特制定如下安全技術措施：

①要對壓裂過程中及壓裂后頂板出水及變形情況進行監測，根據出水情況及時調整壓裂次數與壓裂位置，保證人員及頂板安全。交接班后，及時檢查壓裂頂板20m范圍內的兩幫、頂板及支護情況，發現煤壁片幫或頂板離層、鱗皮等情況時，必須進行及時處理。

②交接班時，班組長必須對壓裂后的頂板及支護等情況進行全面檢查，確認無危險后，方可實施下次壓裂。

③壓裂過程中，嚴禁任何人員從壓裂孔前通過，并在壓裂孔兩側10m范圍內設置警戒，嚴禁非壓裂人員進入。

④壓裂過程中安排專人觀測壓裂孔周圍頂板變化情況，出現漏水較大情況時，通知高壓泵操作員立即停泵，實施下次壓裂。

⑤壓裂過程中安排專人觀測支護變化情況，如出現錨索斷裂情形時，立即通知高壓泵操作員，停止該孔的所有壓裂作業，補打支護后再施工。

（2）壓裂過程中特殊情況處理。在壓裂過程中，如遇巷道頂板有以下特殊情況的需另行處理：

①頂板大面積冒落，必須及時采取加強支護措施處理頂板。

②頂板離層、冒落形成網兜的，必須及時處理網兜，進行補網、補打錨索進行補強支護。

③過往行人必須在有支護的頂板下行走，通過破碎段時應觀察好頂板情況，確保安全后方可迅速通過。

④壓裂過程中，頂板涌水量增大時，立即停止作業，利用封孔器封孔并提前做好排水工作。有效控制涌水后方可再次實施壓裂，壓裂孔距離涌水處應大于40m。

三、水力壓裂放頂技術的實踐應用

在52煤三盤區邊角煤短壁回采面第二采區試驗采用水力壓裂放頂技術管理頂板。該試驗項目分為兩個階段，分述如下：

1.第一區段水力壓裂放頂情況

（1）巷道及鉆孔布置。第一區段面積17660m2、儲量6.94萬t，布置支巷8條，平均長度136m，共計1092m。

在每個支巷聯巷內施工1個壓裂鉆孔L和2個壓裂鉆孔S。鉆孔參數為：壓裂鉆孔—L，仰角為25°，斜長33m；壓裂鉆孔—S，仰角為48°，斜長27m。第一區段巷道布置及壓裂孔布置如圖4所示。

圖4 第一區段巷道布置及壓裂孔布置圖

（2）回采順序及頂板垮落情況。

①第一區段掘進及回采時2條支巷為一組，如1、2支巷掘進到位后，掘進3、4支巷，同時對1、2支巷進行水力壓裂；3、4支巷掘進到位后，回采1、2支巷，同時對3、4支巷進行水力壓裂，如此往復。

②第1、2支巷第一條帶回采完畢后（回采面積約1200m2），次日中午頂板初次垮落，頂板垮落較為理想，直接頂冒高4~5m，充填嚴實；在隨后的回采中，頂板垮落一般滯后于采面1~3個采硐，即5~15m。

③回采4支巷至1聯巷口時，由于在聯巷口懸頂面積較大、頂板經過水預裂后破壞較為充分，且施工隊伍回采經驗不足，沒有在聯巷口留設三角煤柱支撐頂板，造成工作面頂板超前冒落，導致一次支架被掩埋的事故，事故發生后現場人員組織施救得當，沒有造成人員傷害或設備損壞現象。

2.第二區段水力壓裂放頂情況

在對第一區段水力壓裂施工后工作面頂板垮落情況進行深入、全面的分析，并充分吸取第一區段回采的經驗和教訓之后，對第二區段的壓裂鉆孔布置進行了調整。

（1）巷道及鉆孔布置。第二區段面積9640m2、儲量3.80萬t，布置支巷6條（最長116m），共計582m。

壓裂鉆孔布置：第一區段回采完畢后，優化了回采工藝及鉆孔布置，本著節約成本、減少鉆孔數量的原則，盡量做到水力壓裂施工與連采掘進回采之間的平衡，對鉆孔布置進行了優化，從實際回采過程來看，效果很好。

第二區段只在每條支巷邊界聯巷內施工3個壓裂孔，即1個L孔和2個S孔，以充分破壞頂板的完整性，其他聯巷內只布置1個L孔，同時增加L孔的長度至40m，以便其垂高能夠有效破壞頂板關鍵層。鉆孔參數：壓裂鉆孔—L，仰角為25°，斜長40m；壓裂鉆孔—S，仰角為48°，斜長27m。第二區段巷道布置及壓裂孔布置如圖5所示。

圖5 第二區段巷道布置及壓裂孔布置圖

（2）回采順序及頂板垮落情況。

①為避免回采時頂板壓力集中到回采的聯巷口處，變更了支巷回采順序，按條帶順序后退回采，即6條支巷全部掘進到位后，順序后退回采第一、第二、第三條帶。

②頂板第一條帶第一采塊回采完畢后（回采面積約1300m2），次日中午頂板初次垮落，頂板垮落較為理想，直接頂冒高4~5m，充填嚴實；在隨后的回采中，頂板垮落一般滯后于采面1~3個采硐，即5~15m。

③由于回采順序的變更及回采經驗的豐富，回采過程中沒有再次發生壓死支架事故。

④雖然減少了鉆孔數量 （每條支巷減少4個S孔，減少費用2.7萬元），但是頂板垮落效果也很好，達到了預想的優化目的。

四、存在問題及改進措施

1．水力壓裂施工與掘進、回采工序之間的平衡需要結合實際進行充分協調，以免出現掘進、回采和壓裂施工工序之間在時間和空間上的沖突，影響工作面生產組織。

2．在壓裂過程中經常會出現頂板順著錨索孔淋水等現象，究其原因是極小一部分高壓水通過頂板巖層裂隙滲向錨索孔，并通過錨索孔流出。錨索淋水不大的情況下并不影響水力壓裂效果，也不會對已施工錨索的錨固力產生影響。但錨索淋水勢必影響工作面質量標準化及煤質管理，因此要時刻關注頂板淋水變化情況，及時采取導流、抽排等措施。

3．水力壓裂頂板對頂板的破壞情況受鉆孔深度、角度、注水強度、注水時間、頂板狀況等多重因素影響，尤其是上覆巖層狀況變化的不確定性給頂板破壞情況的預估造成了一定的困難。但根據回采經驗，通過優化短壁回采工藝，合理控制回采期間煤柱留設，尤其是在支巷聯巷等巷道交叉點留設2m左右的支撐煤柱，可使采空區頂板垮落處于可控范圍，不僅能確?；夭善陂g的安全，又能使煤柱在該支巷回采結束前被壓垮，從而確保頂板能夠及時垮落。

五、結論

榆家梁煤礦52煤三盤區邊角煤短壁回采面采用水力壓裂頂板技術，有效解決了回采后采空區大面積懸頂的問題，回采后頂板能夠及時垮落，減少了大面積懸頂造成的安全隱患，且該技術的應用能顯著減少火工品的使用，從而降低相應的安全風險，對于確保工作面安全生產、降低生產成本有積極的意義，具有良好的社會經濟效益。