西曲礦18402工作面水力壓裂技術方案優化

劉德亮

(西山煤電(集團)有限責任公司 西曲礦， 山西 古交 030200)

西曲礦8#煤層18402工作面頂板堅硬，上覆厚硬的灰巖和砂巖層，強度高，完整性強，造成初次垮落步距大，若不采取強制放頂措施，初次垮落步距可達30～40 m，容易產生頂板大面積垮落[1],引發颶風的安全隱患。同時，18402工作面兩側為已回采的18401工作面和18403工作面，屬孤島工作面，如不采取強制放頂措施，兩巷煤柱的集中應力將影響工作面的安全回采。為解決以上問題，引進水力壓裂頂板控制技術[2]，在頂板巖層中預先產生大量的水壓裂縫，降低石灰巖和砂巖層的完整性，從而減小初次垮落步距，促使頂板及時垮落，保證工作面安全生產。

1 工程地質條件

18402工作面可采走向長度585 m，傾斜長度218 m，地面標高1 032～1 179 m，工作面標高885～944 m，蓋山厚度為126～250 m. 18402工作面副巷沿8#煤層施工，8#煤層厚度較穩定，煤層厚度3.8～4.38 m，平均厚度3.95 m，煤層傾角2°～7°，平均角度4°，為穩定煤層。煤塵爆炸指數為18.60%，煤層自燃傾向等級為II類自燃煤層。工作面絕對瓦斯涌出量2.70 m3/min.

8#煤層頂部普遍含一層0.50 m的炭質泥巖偽頂，直接頂為1.5～3.5 m的石灰巖，抗壓強度為102.74 MPa，普氏硬度系數10.56. 直接底為1.54 m的細粒砂巖，底板細粒砂巖抗壓強度為55.89 MPa，普氏硬度系數5.72.

2 技術方案

2.1 原技術方案

在18402工作面整個切眼及兩巷30 m范圍內進行水力壓裂。其中切眼內布置14組余1個(每組3個，共43個)鉆孔，工作面正巷布置1組(每組2個，共2個)，工作面副巷布置2組(每組2個，共4個)鉆孔，共計49個鉆孔。

原方案不足之處：1) 工作面切眼內副巷側50 m范圍內有無炭柱，此范圍內頂板裂隙發育，工作面回采期間，頂板易垮落。因此，在此范圍內不需布置鉆孔。2) 由于工作面正巷已經安裝皮帶，鉆機無法使用。因此，正巷內鉆孔無法施工。3) 類比以往8#煤工作面的工程實踐，可以得出工作面中部頂板易垮落，兩端頭不易垮落的規律，可以適當減少中部鉆孔數量。綜合以上分析，采用水力壓裂技術方案進行優化。

2.2 優化后的技術方案

優化后的方案：受陷落柱影響，切眼內從距離副巷50 m處開始施工水力壓裂孔，每15 m施工一組鉆孔，50～155 m每組鉆孔施工2個(孔A和孔B)，共施工7組(14個)鉆孔；155～213 m每組鉆孔施工3個(孔A、孔C、孔D)，共施工5組(14個)鉆孔；副巷布置4個鉆孔。累計布置32個鉆孔，見圖1. 與初始方案比，減少了17個鉆孔，此方案既可以縮短鉆孔施工工期，又可降低工人勞動強度。鉆孔A、B、C、D、E、F直徑均為65 mm，垂直深度均為18 m. 每個孔壓裂5～8段，每段的壓裂時間為30 min. 工作面初次放頂水力壓裂鉆孔布置見表1.

圖1 工作面初次放頂水力壓裂鉆孔布置圖

表1 工作面初次放頂水力壓裂鉆孔布置表

3 現場施工情況

鉆孔情況：平均每天施工2～3個鉆孔，累計施工32個鉆孔，工期為14天。

施工不足之處：打鉆前，由于工作面運輸機、軌道已安裝到位，導致鉆孔方位角、煤壁側鉆孔位置與設計方案有偏差。

壓裂情況：18402工作面2020年7月23日開始初采，截止7月26日，工作面累計推進5 m，7月27日甲班開始水力壓裂，靠近機頭側每個孔壓裂7～8段，工作面中部孔壓裂5～6段，每段壓裂時間為30 min，7月31日乙班壓裂結束，歷時5天。

施工不足之處：封隔器到貨不及時造成機頭處鉆孔未壓裂；工人操作不熟練，影響壓裂時間；由于工期緊張，壓裂段數相應減少。

4 效果分析

4.1 頂板垮落情況

2020年8月3日，工作面累計推進9 m，機尾方向130#—145#支架后方頂板垮落。

2020年8月6日，工作面累計推進19 m，1#—5#支架、80#—125#支架、146#—147#支架后方頂板未垮落；6#—79#、126#—145#支架后方頂板已全部垮落。

2020年8月8日，18402工作面累計推進22.4 m，1#—4#支架、80#—120#支架后方頂板未垮落；其余全部垮落。

2020年8月10日，18402工作面平均推進27 m，1#—2#支架后方頂板垮落不夠充分，85#—112#支架后方頂板未垮落；其余全部垮落。

2020年8月11日，18402工作面累計推進28 m，頂板全部垮落。

4.2 對比分析

通過分析頂板垮落情況可知，機頭側1#—4#支架、85#—112#支架后方頂板難以垮落，其余頂板基本在工作面推進20 m左右全部垮落。主要原因：機頭側頂板鉆孔未及時壓裂；85#—112#支架處頂板鉆孔打設兩排，此處壓裂段數受生產影響由原來的8段減少為5段；受運輸機安裝的影響，鉆機位置調整難度大，鉆孔位置與設計方案有偏差。

不采取強制放頂措施時，初次來壓步距為30～40 m，平均35 m，18401工作面初次來壓步距為37 m；18403工作面采用預裂爆破技術后，初次來壓步距為33 m；18402工作面采用水力壓裂技術后，初次來壓步距為28 m.

5 結 語

結合現場生產地質條件，優化了西曲礦18402綜采工作面水力壓裂技術方案，通過實踐，該技術方案可以有效弱化堅硬頂板，促使頂板及時垮落，減小了初次垮落步距，避免了頂板大面積垮落引發颶風的安全隱患，保證了工作面安全生產。

下一步建議：通過實踐繼續優化初次放頂的方案，確保工作面安全高效回采；探索水力壓裂技術在切頂卸壓降低煤柱集中應力方面的應用。