上社煤礦15310 工作面堅硬頂板水力壓裂技術研究與應用

梁海礁

（晉能控股上社煤炭有限責任公司，山西 陽泉 045100）

1 工程概況

陽泉市上社煤炭有限責任公司15310 工作面位于井田西北部，工作面東部為15308 設計工作面實體煤，西部為15312 工作面實體煤，南部為15#煤層主要大巷，北部為山西煤炭運銷集團盂縣恒泰皇后煤礦。工作面開采15#煤層，煤層均厚6.7 m，煤質硬度1～1.5，層理明顯，節理發育，結構復雜，含0～3 層夾矸。煤層直接頂板為深灰色K2 石灰巖，平均厚13.76 m；基本頂為砂質泥巖，厚度8.1～15.7 m，平均11.57 m；直接底板為平均厚2.1 m 的灰黑色砂質泥巖；基本底為均厚6.15 m 的灰白色細砂巖。

15310工作面采用綜合機械化低位放頂煤開采，工作面采高控制在2.4～2.6 m，一采一放，回采循環步距為0.6 m，頂板采用全部垮落法管理。由于煤層頂板巖層為K2 石灰巖，其厚度較大，且巖層較為堅硬，故為防止工作面回采期間懸頂過長、巷道圍巖變形難以控制，擬對回采巷道進行水力切頂卸壓，以保障圍巖變形在合理范圍內。

2 水力切頂卸壓技術

切頂卸壓技術主要包括兩種，分別為爆破切頂卸壓和水力壓裂切頂卸壓。水力壓裂切頂卸壓可使頂板巖層產生定向壓裂的效果，達到破壞頂板巖層完整性和削弱頂板強度的目的，進而使頂板巖層能夠分層分次垮落，降低頂板應力向超前區域的傳遞，改善巷道圍巖受力狀態，實現控制圍巖變形的目的[1-8]。

頂板水力壓裂的工序主要包括三項，分別為封孔、高壓水壓裂及保壓注水，具體水力壓裂技術布置如圖1。水力壓裂方案實施時的主要流程為采用橫向切槽的特殊鉆頭進行切槽，實現對鉆孔內部橫向切槽的預制，切槽完成后采用手動泵進行封孔器的加壓作業，直至膠筒膨脹至與鉆孔內壁貼實，確保封孔效果。封孔作業完成后，待封孔質量滿足要求后即可連接高壓泵進行水力壓裂作業。

圖1 水力壓裂技術示意圖

水力壓裂系統主要包括靜壓進水管路、高壓水泵、水泵壓力表、蓄存壓裂介質儲能器、手動泵及壓力表、高壓供水膠管和封孔器。水力壓裂使用的封孔器由封隔器膠筒和中心管共同構成水路通道，在壓裂作業時，通過中心管向孔內注入高壓水，通向壓裂段，通過水的高壓壓裂巖孔。而封隔器與中心管形成的空間，存儲高壓水用以密封壓裂段。

水力壓裂鉆孔的布置方式主要有兩種形式，分別為單側布置和雙側布置，具體布置方式如圖2。布置方式的選擇主要與鉆機能力和工作面的長度有關，在壓裂鉆孔進行雙側布置時對頂板的弱化效果較為均勻，工作面中部布置的鉆孔位置不高，利于封隔器的推進，方便施工；當進行單側布置時僅在一條回采巷道內布置鉆孔即可，能夠大幅減少工作量，但此時打設的鉆孔長度需較大，對鉆機的要求程度較高，會增加施工難度。在進行鉆孔布置時可根據堅硬頂板層位和厚薄的不同，選擇采用單側或多側布置。

圖2 水力壓裂鉆孔單側和雙側布置示意圖

水力壓裂效果主要與壓裂高度有關，壓裂位置與巷道頂板之間太近或太遠均不利于圍巖控制，合理的壓裂區域應設置在支護體上方或頂板5 m 的位置處。

3 切頂卸壓方案及效果

3.1 切頂卸壓方案

根據15310 工作面的地質條件，現設計水力壓裂鉆孔采用單側孔布置，壓裂鉆孔布置在工作面進風巷內，設置水力壓裂的長度為500 m。具體水力壓裂使用的主要設備及設計參數如下：

（1）預制橫向切槽鉆頭。本次水力壓裂方案中采用的鉆頭為KZ54 型鉆頭，其在巖層中能夠實現預制橫向切槽的效果。鉆頭結構如圖3，鉆孔直徑為56 mm，水力壓裂鉆孔為56 mm，其能夠實現切槽半徑為鉆孔半徑的2 倍，且其能夠在堅硬巖石（50～150 MPa）中形成橫向切槽，在切槽的尖端能夠形成有效的拉應力集中區域。

圖3 橫向切槽鉆頭結構示意圖

（2）鉆孔參數。水力壓裂鉆孔采用單側布置，鉆孔在進風巷煤柱側頂板開孔。通過對頂板巖層的窺視分析，確定壓裂鉆孔長度為41.1 m，其中壓裂段長度為29.4 m，非壓裂段長度為11.7 m。水力壓裂鉆孔直徑為56 mm，在距離側幫1 m 的位置處開孔，鉆孔的水平投影與巷道的軸線方向成5°布置，偏向工作面一側，鉆孔的仰角為50°，設置鉆孔的間距為10 m。具體水力壓裂鉆孔的布置形式如圖4。

圖4 水力壓裂鉆孔布置方式示意圖

（3）壓裂參數。根據15310 工作面頂底板巖層的物理力學參數和地應力場分布情況，進行水力壓裂起裂壓力的計算，計算公式如下：

式中：Pb為水力壓裂的起裂壓力，MPa；σmax為巖層地應力的最大主應力，MPa；σmin為巖層地應力中的最小主應力，MPa。

根據巷道的地質條件，并考慮一定的富裕系數，綜合確定高壓注水泵的壓力為62 MPa，設置泵機的流量為80 L/min，泵機的電壓為660 V，電機的功率為90 kW。在進行水力壓裂時，在孔深每2 m 進行一次壓裂作業，并設置每次的壓裂時間不少于30 min，確保壓裂效果。在進行壓裂作業時，應時刻注意頂板的變化情況，若出現異常現象立即停止作業。對壓裂區域頂板采取補強加固，通過加強支柱進行頂板支護，待頂板無異常現象時再進行下一段的壓裂作業。

3.2 效果分析

15310 工作面回采期間，在超前工作面112 m的位置處布置巷道表面位移監測站，通過十字測點法進行巷道頂板下沉量、左幫和右幫移近量及底板鼓起量的觀測，工作面每推進10～15 m 觀測一次。根據觀測結果可繪制出圍巖變形量與工作面距離間的關系曲線如圖5。

圖5 工作面回采期間圍巖變形量曲線圖

分析圖5 可知，隨著工作面回采作業的進行，巷道圍巖變形量呈現出逐漸增大的趨勢。觀測點與工作面間的距離大于60 m 時，巷道圍巖的變形速率相對較小；隨著工作面回采作業的進行，當觀測點與工作面間的距離小于60 m 時，圍巖變形速率逐漸增大，其中頂板下沉量的變形速率最大，其次為左幫變形量、右幫變形量、底板鼓起量；工作面回采推進至觀測點位置處，圍巖變形量達到最大值，頂板下沉量、左幫移近量、右幫移近量和底鼓量的最大值分別為150 mm、71 mm、43 mm 和15 mm。巷道圍巖變形量在合理范圍內，滿足回采巷道的使用要求。

另外在15310 工作面回采期間，通過對進風巷區域懸頂長度的觀測可知，工作面進風巷區域的懸頂長度基本在7～10 m 的范圍內，懸頂長度合理，頂板巖層隨著工作面回采垮落正常，為工作面的安全生產提供了保障。

4 結論

根據15310 工作面的地質條件，通過分析水力切頂卸壓技術原理及施工工藝流程，設計工作面水力壓裂采用單側布置，并對壓裂鉆孔直徑、長度、布置角度及起裂壓力等參數具體進行設計。根據水力壓裂實施后的圍巖變形監測結果可知，切頂卸壓方案實施后，圍巖變形量在合理范圍內，巷道端頭無懸頂過長現象，保障了工作面的回采安全。