堅硬頂板巷道水力壓裂切頂卸壓一體化控制技術

李 挺

(西山煤電股份有限公司 馬蘭礦, 山西 太原 030205)

山西西山煤電股份有限公司馬蘭礦8#煤層的18509工作面頂板堅硬，存在一層厚硬的灰?guī)r和砂巖層，強度高，完整性強，端頭頂板懸而不斷，采取退錨措施后，懸頂距離依然達到10～30 m，突然垮落會將采空區(qū)瓦斯擠出，造成瓦斯超限。18509工作面在回采過程中會與正在掘進的18507皮帶巷相遇，強采動應力會造成巷道圍巖壓力加大，出現(xiàn)片幫、底鼓等現(xiàn)象，巷道難以維護，急需處理。

目前，常用的切頂方法有深孔爆破和水力壓裂等，深孔爆破應用很廣泛[1-6]，但對于煤與瓦斯突出礦井，爆破的安全性低，成本高，爆破作業(yè)容易影響工作面的正常回采；而水力壓裂是近年發(fā)展起來一種安全高效的切頂卸壓技術，采用井下水為原材料，取材方便，施工快速。馬蘭礦屬于煤與瓦斯突出礦井，采用高效水力壓裂卸壓技術，弱化頂板力學性能，實現(xiàn)堅硬頂板的高效預裂，在治理18509輔運巷端頭懸頂?shù)耐瑫r，對18507皮帶巷也起到了保護作用。

1 工作面概況

18509工作面傾斜長度240 m，走向長度1 359 m，地面標高1 225～1 337 m，工作面標高784.3～836.9 m，埋深450～500 m. 工作面所采煤層為石炭系太原組8#煤層，屬穩(wěn)定可采厚煤層，煤層厚度3.86～4.85 m，平均4.35 m. 煤層傾角0°～9°，平均角度2°. 絕對瓦斯涌出量44 m3/min，相對瓦斯涌出量8.27 m3/t，瓦斯壓力0.43 MPa.

18509工作面柱狀圖見圖1，直接頂為灰?guī)r，最大厚度達3.31 m，平均厚度2.05 m，堅硬穩(wěn)定，普氏系數(shù)最高時可達到10以上；基本頂為中砂巖，平均厚度達3.88 m，普氏系數(shù)達到7. 18509工作面頂板堅硬穩(wěn)定，同采區(qū)臨近工作面回采期間端頭懸頂距離一般在10～30 m，同時18507工作面臨近18509回采工作面掘進，18509工作面布置見圖2，凈煤柱寬度20 m，如果18509工作面頂板垮落不及時充分，會導致煤柱上賦存著巨大的支承壓力，容易引起臨近巷道礦壓顯現(xiàn)，已有實踐證明巷道易出現(xiàn)明顯的底鼓、片幫、炸頂現(xiàn)象。

圖1 鉆孔柱狀圖

圖2 18509工作面布置示意圖

2 控制思路

控制工作面端頭懸頂和解決臨近動壓巷道應力集中問題，可采用水力壓裂切頂卸壓技術，頂板水力壓裂可人工增加裂縫的數(shù)目，在堅硬頂板中形成水壓裂縫網(wǎng)絡，破壞其整體性，促使端頭懸頂及時垮落；工作面回采產(chǎn)生的超前和側(cè)向支承應力主要通過煤層上方的關鍵巖層進行傳遞。因此，對煤柱上方的頂板采用水力壓裂，可有效切斷采動應力的傳遞路徑，控制臨近巷道的變形。

端頭懸頂?shù)念A裂對象主要為低位巖層，控制動壓的預裂對象主要為煤柱上方的泥灰?guī)r和砂巖，因為該巖層是產(chǎn)生采動應力的主要力源，因此確定水力壓裂的頂板層位為0～13.5 m. 此外，端頭懸頂?shù)拇嬖谝矠榕R空巷道增加了附加載荷，因此，采用“低位致裂+高位弱化”的控制思路，可同時解決端頭懸頂治理和動壓巷道的控制問題。控制原理圖見圖3.

圖3 水力壓裂“端頭懸頂治理+動壓護巷”的控制原理圖

3 頂板水力壓裂技術和工藝

水力壓裂技術可有效削弱頂板的強度和整體性，使端頭懸頂頂板能夠分層分次及時垮落，縮短初次來壓和周期來壓步距，減小或消除堅硬難垮頂板對工作面回采及緊鄰臨空巷道帶來的超前和側(cè)向支承應力，避免工作面受動壓影響造成的巷道變形，片幫、底鼓等現(xiàn)象。水力壓裂技術主要包括壓裂鉆孔鉆進、鉆孔開槽、封孔、頂板水力壓裂及效果監(jiān)測5部分。

水力壓裂的工藝原理見圖4，水力壓裂系統(tǒng)主要包括：高壓系統(tǒng)(泵+水箱+高壓膠管+電控箱)、送裝桿、封隔器、水壓裂監(jiān)測系統(tǒng)。施工流程為鉆孔—安裝封隔器—開泵壓裂—停泵卸壓—再次定位封隔器，依次循環(huán)。全部設備和材料均可重復使用，初期投資低，長期消耗率也較低。

圖4 水力壓裂工藝原理圖

4 頂板水力壓裂方案

端頭懸頂和動壓巷道水力壓裂一體化控制技術方案見圖5，在18509輔運巷施工鉆孔并壓裂。

圖5 端頭懸頂和動壓巷道水力壓裂鉆孔布置圖

每隔10 m布置一組鉆孔，每組鉆孔包括3個鉆孔，分別為孔A、孔B、孔C. 孔A和孔B主要用于壓裂端頭懸頂，呈三花布置，孔B和孔C主要用于壓裂煤柱上方頂板，呈扇形布置。其中，孔B同時兼顧端頭懸頂和動壓巷道壓裂的作用。

鉆孔A貼正幫平行巷道向采空區(qū)方向施工，開孔位置距離巷幫500 mm，仰角為45°，鉆孔長度10 m；鉆孔B貼副幫向采空區(qū)后方施工，開孔位置距離巷幫500 mm，方位角為偏離巷道方向10°，仰角45°，鉆孔長度為19 m；鉆孔C垂直巷幫斜向煤柱頂板施工，仰角42°，鉆孔長度20 m.

鉆孔A、B、C均d60 mm. 鉆孔A壓裂3段，孔B和孔C壓裂5段，兩段之間的間距平均為3 m，具體見圖5c)，每段的壓裂時間控制在30 min.

由于頂板條件會變化，在現(xiàn)場根據(jù)鉆孔施工情況和水力致裂情況對鉆孔長度、間距等參數(shù)進行適當調(diào)整；在后期壓裂過程中，如果僅依靠孔B和孔C即可達到壓裂效果，可考慮微調(diào)施工方案，取消鉆孔A.

為了增加水力壓裂過程中裂縫的數(shù)量，需采用大排量壓裂泵，泵的排量確定為118 L/min. 由于灰?guī)r頂板的強度較高，f系數(shù)接近10，抗拉強度為8～13 MPa，且最小主應力為7.8 MPa，再按照2倍的富余系數(shù)考慮，泵需要提供40 MPa以上的壓力。

5 結(jié) 論

分析了堅硬頂板水力壓裂切頂卸壓控制思路、工藝原理及鉆孔布置方式對壓裂效果的影響，提出采用“低位致裂+高位弱化”水力壓裂卸壓設計方案，并現(xiàn)場實施應用。結(jié)果表明：

1) 采用水力壓裂后，有效解決了工作面端頭懸頂問題，與實施水力壓裂前相比，端頭懸頂長度由原先的12～20 m減小至3～5 m，滿足工作面安全回采需要。

2) 采用水力壓裂切頂技術，使得臨近煤柱上覆頂板垮落及時充分，減少煤柱上應力集中。與實施水力壓裂前相比，18507皮帶巷礦壓顯現(xiàn)降低，巷道變形以底鼓為主，底鼓最大值為215 mm，頂板、左、右?guī)妥冃瘟枯^小，最大值分別為52 mm、46 mm和53 mm. 未實施水力壓裂的鄰近巷道圍巖變形也以底鼓為主，但底鼓最大值在1 000 mm以上，頂板下沉量可達600 mm，左幫和右?guī)鸵平吭?50 mm以上。

實施水力壓裂切頂卸壓，有效解決了堅硬頂板工作面端頭懸頂及鄰近工作面巷道強采動應力引起的巷道片幫、底鼓問題，可以廣泛推廣使用。