高壓水力壓裂技術在綜放工作面初采放頂中的應用

尹晉攀

（山西沁和能源集團南凹寺煤業有限公司，山西晉城048000）

0 引 言

在煤礦井下開采中，因受地質條件、圍巖應力等因素影響，回采工作面在初采期間，經常會出現采空區和上下隅角頂板懸頂不垮落現象。工作面出現大面積懸頂容易造成瓦斯積聚，工作面頂板大面積垮落時容易引發頂板事故、瓦斯超限等礦井災害事故[1-2]。為防止工作面初采期間出現采空區大面積懸頂，煤礦一般采取切巷超前退錨、頂板預裂爆破強制放頂等措施，上述措施安全系數低、效果差。水力壓裂技術已在石油、天然氣開采和井下瓦斯抽采等相關領域得到了廣泛應用，近年來，其在煤礦井下開采中處理堅硬頂板不垮落進行頂板預裂方面也得到了較多的推廣應用。工作面回采過程中，在超前采動壓力影響范圍區前方，采用高壓水力將工作面堅硬的頂板巖層進行壓裂破壞，使巖層的整體性和固有強度降低，在工作面推進過程中，采空區頂板能夠實現隨采隨落，縮短工作面初次來壓和周期來壓步距，使初次來壓和周期來壓強度降低，削弱了工作面初次來壓和周期來壓對支架產生的沖擊影響，有利于工作面頂板及煤墻的管理和維護，提高工作面回采期間的安全系數[3]。

1 工程概況

常村煤礦井田東西走向長10 km，南北傾斜寬2～4km，井田面積18.37 km2，礦井主采3#煤層，煤層平均厚度5.38m，設計生產能力180 萬t/a。礦井采用綜采低位放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板，工作面上下順槽及切眼掘進期間均沿煤層頂板施工。工作面直接頂為泥巖-粉砂巖，其中泥巖平均厚度為0.09m，強度為35.42MPa，粉砂巖平均厚度1.8m，強度為78.92MPa。老頂為細粒砂巖有，平均厚度3.4m，巖層平均強度為98MPa 左右。礦井煤層頂底板巖層特征如圖1 所示。

12204 工作面切巷由于頂板巖層堅硬且采用錨網索聯合支護，工作面初采期間采空區頂板不能及時垮落，工作面回采期間雖然采取了提前對切巷錨桿、錨索進行退錨處理，但頂板垮落的矸石不充分，很難將采空區填實，造成工作面回采初采期間采空區大面積懸頂、瓦斯積聚，工作面上隅角經常出現瓦斯超限現象，給礦井安全生產帶來極大安全隱患。針對此種情況，提出采用水力壓裂技術處理工作面采空區大面積懸頂問題顯得尤為重要。

圖1 礦井煤層頂底板綜合柱狀圖

2 工作面地質情況分析

12204 工作面位于常村煤礦12 采區西翼中下部，北鄰12206 工作面采空區，南鄰礦井未開采區域，西鄰SF4 斷層，東到礦井工業廣場保護煤柱。工作面標高-392.8 ～-421.3m，地面標高+135.8 ～+138.3m。工作面設計走向長782m，傾斜寬180m，工作面煤層厚度3.6～6.2m，平均厚度5.1m；工作面煤層傾角5°～10°，平均8°。工作面切眼為矩形斷面，斷面尺寸為8m×3.2m，巷道凈斷面25.6m2。

為分析工作面頂板巖層地質情況，在工作面切眼內施工窺視鉆孔對頂板巖層進行窺視。以6 號鉆孔為例進行分析，如圖2 所示，鉆孔窺視深度41.6m。從窺視結果可以看出，工作面頂板在0～1m深度區域內，巖層裂隙較為發育，深度超過1m 以后區域裂隙相對較少。結合12204 工作面頂板巖層性質及現場實際情況，研究決定利用水力壓裂技術來處理工作面頂板不及時垮落問題。

圖2 12204 工作面切眼6 號鉆孔窺視圖（鉆孔深度/m）

3 水力壓裂方案設計

3.1 技術原理

水力壓裂技術是在頂板中完成普通鉆孔施工后，利用特殊的開槽鉆頭進入鉆孔末端施工橫向切槽，然后對切槽段進行注漿封孔，封孔完成后采用高壓泵向切槽內注入高壓水，利用水的高壓切應力在切槽端部產生裂縫并在巖層中逐漸擴展延伸，增大巖層裂縫，將完成的頂板巖層分割成多層，進而破壞頂板巖層的完整性，降低巖層整體強度。工作面在推進過程中，隨著采動動壓和頂板圍巖應力等綜合因素影響，工作面頂板巖層由整體一次性垮落變化為依次分層垮落，縮短工作面初次來壓和周期來壓步距，降低來壓強度，從而達到降低或消除工作面大面積頂板垮落帶來的危害的目的[4]，確保工作面安全順利回采。

3.2 技術參數選取

根據12204 工作面切眼掘進及支護方式并結合工作面煤巖層綜合柱狀圖等相關基礎數據進行計算，以此來分析工作面頂板巖層的移動狀態，確定工作面頂板上部基本頂巖層回轉變形破斷巖梁的位置。

利用公式（1）計算基本頂進入裂隙帶巖層的厚度：

式中：hi為自下而上第i層基本頂巖層的厚度，m；hi'為自下而上第i層基本頂分層巖層的厚度，m；hm為工作面采高，m；Ki為基本頂巖層巖石碎脹系數，1.15～1.33，取1.25；Kz為直接頂巖層巖石碎脹系數，1.33～1.50，取1.45；h為工作面直接頂巖層厚度，m。

將12204 工作面的有關數據代入到公式（1）中，計算可得知，工作面第3 層基本頂粉砂巖巖層裂隙帶巖層，厚度為12.62m，其下方的巖層為工作面頂板冒落帶巖層。根據以上計算分析結果可知，為達到預期頂板水力預裂效果，水力壓裂鉆孔的垂深至少應達到工作面第3 層基本頂粉砂巖巖層以上位置。

3.3 壓裂鉆孔設計

12204 工作面切眼凈斷面尺寸為寬8m，高3.2m，傾斜長180m,為保證高壓水力對工作面頂板巖層的壓裂效果，綜合工作面巖層地質情況及理論計算分析結果，確定工作面水力壓裂鉆孔深度為40m，以工作面切眼中心線為基線，每排布置2 個鉆孔（如圖3 所示）。

工作面煤墻幫鉆孔開孔位置在巷道頂部距煤墻幫1.5～2.0m，傾角45°～55°，孔深40m，鉆孔直徑φ75mm。老塘側鉆孔開孔位置在巷道頂部距老塘側幫部2.0～2.5m，傾角70°～80°，孔深40m，鉆孔直徑φ75mm。鉆孔排距20m，切眼內共計施工16個鉆孔。

圖3 12204 工作面切眼水力壓裂鉆孔布置示意圖

3.4 施工方案

3.4.1 鉆孔施工方案

施工壓裂鉆孔時采用ZYJ-1250 型框架式液壓鉆機，采用φ75mm 的鉆頭進行鉆進。鉆孔施工位置應選擇在巷道頂板支護相對較好、頂板巖層較為完整的地段進行開孔。施工時先利用φ75mm 的普通鉆頭進行施工，在施工深度到達預設的開槽位置時，將普通鉆頭更換為開槽鉆頭進行鉆孔開槽。開槽結束后將鉆頭更換成普通鉆頭繼續施工，當鉆進至下一個設計的開槽位置時更換開槽鉆頭進行開槽施工，按照由下向上的順序直至鉆進到設計的鉆孔深度為止。

3.4.2 水力壓裂施工工藝

鉆孔施工完成以后，對鉆孔進行封孔，連接好高壓注水系統后利用高壓水對頂板巖層進行水力壓裂分割。

1）封孔。封孔工序及系統安裝連接如圖4 所示。

圖4 壓裂鉆孔封孔系統連接示意圖

2）鉆孔高壓水力壓裂。安裝高壓注水系統的工序如圖5 所示。

圖5 高壓注水系統系統連接安裝示意圖

4 井下現場試驗

4.1 高壓水力壓裂壓力變化情況監測

在12204 工作面切眼實施高壓水力壓裂試驗時，對高壓注水泵的壓力變化情況進行監測，為分析診斷壓裂效果提高參考依據。高壓泵壓力實施注水過程中壓力變化情況如圖6 所示。

圖6 高壓注水壓力變化曲線圖

由圖6 可知，由于受地質條件和巖層性質不同的影響，有些巖層在受高壓水力作用下裂縫開始起裂后，壓力曲線表現為非常緊湊的鋸齒狀，說明巖層裂縫在延展過程中每次開裂的幅度較小；有些裂縫在壓裂過程中，因巖層厚度的不均勻性或是由于巖層的滲透性不同，高壓泵站的注水壓力出現有升有降的變化，壓裂曲線呈現波浪形變化。同時，由于部分巖層存在構造面或是原生裂隙，在進行高壓注水壓裂試驗中，泵站壓力有時會出現劇烈變化。

4.2 試驗效果分析

常村煤礦曾委托中國礦業大學對12201 工作面礦壓變化情況進行觀測分析。觀測分析結果為，工作面直接頂初次來壓步距為18.5m，來壓情況表現為工作面上下兩端來壓較為緩慢，中間頂板來壓表現較為強烈。老頂初次來壓垮落步距為48.6m，工作面老頂初次來壓期間，支架工作阻力有70%以上處在4 500～5 500kN，最大的達到6 000kN，工作面煤墻出現片幫嚴重現象。

12204 工作面頂板巖層在采用水力壓裂后，工作面開始回采向前推進2.4m 時，直接頂開始出現垮落，在推進4.8m 后，直接頂全部垮落，在推進至12m 時，工作面老頂全部垮落，由此可知工作面初次垮落來壓步距為12m。老頂初次來壓期間，工作面煤墻完整性較好，只有局部出現少量片幫。初次來壓期間，支架工作阻力在3 800～4 500kN，平均4 150kN，為支架額定工作阻力的64.8%；最大工作阻力為5 575kN，是支架額定工作阻力的87.11%；最小工作阻力為125kN，為額定工作阻力的1.95%。與12201 工作面初次來壓相比，12204 工作面初次來壓步距減小36.6m，表明水力壓裂技術可以有效緩解頂板壓力，保證初采安全。

5 結 論

通過理論分析和井下現場應用實踐表明，在工作面初采期間遇堅硬頂板巖層難以垮落時，運用高壓水力壓裂技術，能夠有效地將工作面頂板上部堅硬的巖層進行切割、分層壓裂，破壞巖層的整體性，使巖層固有硬度系數降低，工作面在回采過程中，頂板巖層由整體一次性垮落變化為依次分層垮落，縮短工作面初次來壓和周期來壓步距，降低來壓強度，從而達到降低或消除工作面大面積頂板垮落帶來的危害的目的，確保工作面安全順利回采。