水力預裂在頂板控制與瓦斯治理方面的融合應用

王國飛

(山西焦煤汾西礦業集團 雙柳煤礦， 山西 柳林 033300)

雙柳煤礦回采工作面采用全部垮落法管理頂板，由于頂板巖石強度高、節理裂隙不發育、巖層單層厚度大、整體性強、自承能力好，煤層開采后上隅角頂板不能及時跨落。同時，該礦為煤與瓦斯突出礦井，上隅角大面積懸頂極易為采空區瓦斯積聚創造有利條件。因此，對礦井瓦斯治理和通風管理提出更高要求，也為礦井安全生產帶來挑戰。在以往的生產中，該礦采用施工密集切頂眼配合全部垮落法管理頂板，對頂板管理較被動，施工密集切頂眼勞動強度大，不能形成長久持續的有效管理機制。為此，引進水力預裂超前切頂卸壓技術，使頂板關鍵巖層產生裂隙，解決工作面上隅角懸頂問題，并將預裂后的鉆孔接入瓦斯抽采系統進行抽采，對上隅角瓦斯進行治理。

1 水力預裂技術應用原理

1) 頂板災害治理。

超前施工水力預裂鉆孔，在工作面形成采空區前對上隅角頂板提前進行人為破壞，隨著煤炭的采出，上隅角頂板巖層隨工作面的推進及時跨落，從而破壞采空區頂板的整體完整性，加速頂板的跨落[1-2].

2) 上隅角瓦斯治理。

采空區和上隅角頂板的及時跨落，使上隅角得到充分填充，破壞了上隅角瓦斯積聚的條件；同時,上隅角頂板跨落后，上覆巖層在豎向形成“三帶”，即冒落帶、裂隙帶和彎曲變形帶，裂隙充分發育，采空區及上覆巖層中的瓦斯逐漸上移，促使采空區瓦斯濃度降低；對預裂鉆孔的二次利用接入抽放系統后，促使采空區上覆區域形成負壓區，加快了采空區及上隅角瓦斯上移速度，持續的瓦斯抽放，降低了采空區及上隅角瓦斯量，上隅角瓦斯治理達到雙重效果。

2 水力預裂鉆孔施工參數及工藝

首先根據頂板巖層結構、巖層厚度、采厚、冒落高度以及巖層強度等參數，確定工作面水力壓裂鉆孔施工參數及壓裂參數[3]，然后在回風順槽沿走向布置鉆孔，鉆孔靠煤柱幫角1.5 m，間距10 m，傾角在30°～50°，鉆孔深度40～50 m，鉆孔孔徑63 mm，鉆孔施工完畢后封孔。從孔底開始，每隔3 m實施一次封孔，利用注漿泵為封孔囊袋加壓，使前后封孔囊袋之間形成封閉空間；通過中心管為封孔囊袋之間的封閉空間加壓，根據頂板巖性調整壓力表至30～40 MPa，實施壓裂，壓裂至孔口9 m處；頂板形成裂隙后水壓會下降，為保證壓裂效果達到最佳，需保壓注水30 min以上。水力預裂切頂鉆孔必須保證在采動影響范圍外進行預裂，確保頂板垮落充分。水力壓裂控制頂板工藝過程見圖1， 先采用橫向切槽的特殊鉆頭預制切槽(圖1a))；然后利用手動泵為封隔器加壓使膠筒膨脹，達到封孔目的(圖1b))；最后連接高壓泵實施壓裂(圖1c)). 預裂鉆孔布置示意圖見圖2.

圖1 水力預裂控制頂板工藝過程圖

圖2 預裂鉆孔布置示意圖

3 水力預裂鉆孔在瓦斯治理中的應用

水力預裂鉆孔壓裂后進行二次利用，通過封孔接入工作面高負壓系統進行上隅角瓦斯抽采，鉆孔抽采濃度最高達40%，預裂單孔純瓦斯量達0.8 m3/min，對回采工作面上隅角瓦斯治理起到了很好的強化作用。通過觀測預裂鉆孔抽采情況，發現水力預裂鉆孔超前工作面20 m左右接入抽采系統，抽采效果最佳。在實際應用過程中預裂鉆孔不能提前接入抽放系統；抽采負壓不宜太大，在8～10 kPa最佳；隨時觀測抽采濃度，待濃度降至5%以下，及時關閉抽放系統。

4 效果分析

4.1 頂板預裂

采用水力預裂切頂卸壓技術后，上隅角懸頂問題發生頻率下降90%，運輸順槽超前支護范圍圍巖變形量明顯減小，同時相鄰工作面順槽受采動影響減小。鉆孔壓裂后的裂隙窺視圖及砂巖與煤層分界窺視圖見圖3.

圖3 裂隙及砂巖與煤層分界窺視圖

4.2 上隅角頂板管控

未施工水力預裂鉆孔前，上隅角懸頂面積增速較大，峰值接近14 m2，瞬時垮落。施工水力預裂切頂卸壓鉆孔后，上隅角懸頂面積增速較緩，峰值基本維持在5 m2以下，垮落時不具有瞬時性。預裂鉆孔施工前后上隅角懸頂面積與推進度關系曲線圖見圖4.

圖4 施工前后上隅角懸頂面積與推進度關系曲線圖

4.3 上隅角瓦斯治理

1) 抽采前后上隅角瓦斯濃度對比分析。

將垮落后的水力預裂孔接入抽采系統，抽采上隅角處瓦斯，配合高位裂隙孔形成“高低位、雙負壓”抽采狀態，達到“標本兼治”效果。壓裂初期的孔內瓦斯濃度為2%～5%，孔內瓦斯濃度峰值時達32%左右，未施工水力預裂鉆孔時上隅角瓦斯濃度在0.50%，施工水力壓裂鉆孔連接抽采后，上隅角瓦斯濃度在0.34%左右，平均下降0.16%，降幅比例達33%，單孔純瓦斯量峰值為0.12 m3/min，每天瓦斯抽采量為170 m3左右。壓裂鉆孔接入抽采系統前后瓦斯濃度變化曲線圖見圖5.

圖5 壓裂鉆孔接入抽采前后瓦斯濃度變化曲線圖

2) 經濟效益分析。

將預裂孔接入抽采系統進行上隅角瓦斯抽采，降低了作業人員工作強度，取消上隅角埋管抽采，抽采成本降低。23(4)11工作面從2020年9月初開始使用水力預裂鉆孔，截至12月5日已安全回采540 m左右,d325 mm瓦斯管路按750元/m計算，累計節約可見成本為40萬元。

5 結 論

雙柳煤礦引進水力預裂超前切頂卸壓技術，在23(4)11工作面回采期間在運巷端頭頂板上方提前布置水力預裂超前切頂孔，進行水力預裂超前切頂卸壓，使頂板關鍵層巖層產生裂隙，破壞頂板巖層完整性，解決了采煤工作面上隅角懸頂問題，同時利用預裂后的鉆孔接入瓦斯抽采系統進行瓦斯抽采，對上隅角瓦斯治理效果明顯，創新性實現水力預裂技術在堅硬頂板控制與瓦斯治理方面高度融合應用，實現瓦斯與頂板共治,從而形成了一套良性循環的頂板及瓦斯管理辦法。