厚基巖淺埋藏工作面水力壓裂初次放頂應用研究

史洪愷，解振華，李小龍

(國能神東煤炭集團烏蘭木倫煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017205)

0 引言

目前，我國神東礦區許多礦井工作面開采面臨著厚基巖淺埋藏的地質特點，這種地質條件下工作面回采易出現工作面初采期間頂板大面積懸頂，對工作面回采形成安全隱患[1-4]。而對于淺埋薄基巖的礦山壓力分布規律研究較多，對于厚基巖淺埋藏工作面礦壓研究有待進一步深入[5-7]。針對工作面大面積懸頂問題，一般采用放炮強制放頂、水力軟化或者水壓預裂的技術手段消除隱患[9-12]。

烏蘭木倫煤礦31411工作面覆蓋層厚度為148.8 m，基巖厚度為91 m，符合埋藏淺、基巖厚度大等近淺埋煤層的特征，存在礦壓顯現明顯，采空區懸頂面積大未能及時垮落等問題[13]。遇工作面初次來壓、周期來壓時，頂板壓力大。

由于受地質賦存條件、頂板巖性堅硬等因素的的影響[14]，31411工作面可能會出現頂板不垮落或垮落不完全，三角區出現大面積的懸頂，初次來壓時頂板突然垮落形成颶風傷人，造成人員傷害。

為消除大面積懸頂造成的風險，對31411工作面進行了水壓預裂初次放頂，達到了消除生產安全隱患的目的，實現了安全高效生產。

1 工程概況

31411工作面范圍內第四系松散層厚度為4.5～61 m，松散含水層厚度0～50 m，松散層、松散含水層沿掘進方向逐漸變厚；上覆基巖厚度為83～184 m，總體趨勢沿掘進方向逐漸變薄。31411工作面頂板巖層結構實測值見表1。

表1 31411工作面頂板巖層結構

巷道在3-1煤層中沿煤層底板掘進，上部留有0.1～0.8 m厚度不等的頂煤，煤層直接頂為粉砂巖，普氏系數為2.46，軟化系數為0.275，老頂為砂質泥巖，普氏系數2.82，軟化系數0.57。直接底為砂質泥巖，普氏系數為2.821，軟化系數為0.57。煤層頂底板巖性，見表2。

表2 31411工作面頂底板巖性

2 工作面水力壓裂鉆孔布置及相關參數

烏蘭木倫煤礦31411工作面可劃分為31411-1和31411-2兩個工作面。工作面傾向長度為31411-1工作面189.5 m和31411-2工作面105.3 m。

為避免31411工作面回采時初次來壓對支架造成巨大的沖擊載荷，需破壞頂板的完整性，使其盡早垮落，減緩初次來壓對支架的破壞，確保初采安全，在切眼進行水力預裂放頂。

31411-1切眼布置L孔11個，S孔20個，鉆孔總進尺1 003 m。31411-2切眼布置L孔6個，S孔11個，鉆孔總進尺550 m。壓裂L鉆孔結構示意圖如圖1所示，壓裂S鉆孔結構示意圖如圖2所示。

圖1 切眼布置L鉆孔參數示意Fig.1 L borehole parameters in open-off cut

圖2 切眼布置S鉆孔參數示意Fig.2 S borehole parameters in open-off cut

鉆孔采用ZDY1200S型全液壓鉆機施工，鉆頭φ56 mm。工作面鉆孔參數根據頂板巖層厚度、巖性、采高等參數確定，工作面切眼水力壓裂鉆孔布置及參數，如圖3所示。

圖3 工作面切眼水力壓裂鉆孔布置及參數Fig.3 Borehole layout parameters of hydraulic fracturing in open-off cut

3 水力壓裂鉆孔施工狀況與效果分析

3.1 水力壓裂鉆孔施工狀況

根據施工記錄可知，泵壓集中在13～25 MPa之間。在鉆孔角度不變的情況下，鉆孔裂縫啟裂和擴展壓力主要跟巖體抗拉強度有關，切眼壓裂壓力均低于注水泵的額定壓力，表明不同鉆孔不同深度均實現了巖體的張開破壞；工作面頂板存在較發育的原生裂隙，會對壓裂效果產生一定影響；在壓裂過程中頂板錨桿、錨索均出現了淋水現象，相鄰鉆孔也有出水情況，表明壓裂過后，原有裂隙和壓裂新產生的裂隙完成了擴展貫通，削弱了工作面頂板巖層的完整性；壓裂過程中裂隙擴展范圍可達10～20 m。

水力壓裂鉆孔施工記錄，見表3與表4。為詳細監測壓裂壓力變化情況，特安裝水壓儀進行監測壓力-時間關系。如圖4～7所示。

表3 31411-1工作面水力壓裂鉆孔施工記錄

表4 31411-2工作面水力壓裂鉆孔施工記錄

3.2 水壓預裂效果分析

結合圖4～7分析可知：鉆孔開始壓裂后，高壓水壓力急劇增高到一定值后，隨著孔壁巖石的開裂或原生裂隙的進一步張開，壓力在某一范圍內小幅波動或突然有不同程度的下降，繼而進入保壓階段，裂縫隨著時間不斷的擴展。

圖4 31411-1切眼L孔水壓情況Fig.4 Water pressure of L borehole in 31411-1 open-off cut

圖5 31411-1切眼S孔水壓情況Fig.5 Water pressure of S borehole in 31411-1 open-off cut

圖6 31411-2切眼L孔水壓情況Fig.6 Water pressure of L borehole in 31411-2 open-off cut

圖7 31411-2切眼S孔水壓情況Fig.7 Water pressure of S borehole in 31411-2 open-off cut

有些壓裂在裂縫擴展過程中，壓力存在小幅度的波動，裂縫基本以恒定壓力向前擴展，說明頂板巖層原生裂隙不發育，巖層較為穩定，裂縫可以實現大范圍擴展；有些壓裂在裂縫擴展過程中，壓力穩定上升或下降，可能是由于巖層的不均勻性或巖層的滲透率不同導致的；還有一些壓裂在裂縫擴展過程中，壓力波動較為劇烈，可能是由于裂縫擴展過程中遇到了原生裂隙或結構面導致的。

從圖7可看出鉆孔的開裂壓力在15～25 MPa左右，進入保壓階段后，壓力為15～20 MPa左右。保壓注水階段時間為30 m左右，壓力較為穩定，可以保證裂隙擴展充分。隨著壓裂位置距孔口距離的減少，破裂壓力和擴展壓力呈減小趨勢。

井下使用注水高壓泵為恒流量注水泵，每分鐘注水80 L，因此，每次注水量為4.8 m3，每個鉆孔注水10次左右，每孔總注水量48 m3，通過巖體中注水也可以達到軟化頂板，降低巖體強度的作用。

綜上分析，31411工作面頂板堅硬，完整性好，采用水力壓裂技術對31411工作面頂板巖層進行弱化后，未出現大面積頂板懸空，保障了工作面的安全生產。

4 結論

(1)根據烏蘭木倫煤礦31411工作面的地質條件，分析認為該工作面符合埋藏淺、基巖厚度大等近淺埋煤層的特征，存在采空區懸頂面積大未能及時垮落，初次來壓時頂板突然垮落形成颶風傷人等風險。

(2)根據施工記錄可知，泵壓集中在13～25 MPa之間；在壓裂過程中頂板錨桿、錨索均出現了淋水現象，相鄰鉆孔也有出水情況，表明壓裂過后，原有裂隙和壓裂新產生的裂隙完成了擴展貫通，削弱了工作面頂板巖層的完整性；壓裂過程中裂隙擴展范圍可達10～20 m；隨著壓裂位置距孔口距離的減少，破裂壓力和擴展壓力呈減小趨勢。

(3)采用水力壓裂技術對31411工作面頂板巖層進行弱化后，未出現大面積頂板懸空，保障了工作面安全生產。