水力壓裂技術在回采面初次放頂中應用

于 進

（鄂爾多斯市國源礦業開發有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

受施工工藝、圍巖結構、地質條件等影響，綜采工作面回采期間出現頂板不能及時垮落現象，導致架后采空區內懸頂面積大、瓦斯積聚，大面積頂板垮落時很容易造成頂板以及瓦斯等事故。我國目前多數煤礦主要采取超前退錨索、爆破預裂等技術手段進行強制放頂，但是傳統放頂措施安全系數低、施工難度大且效果差。本文以鄂爾多斯市國源礦業開發有限責任公司龍王溝礦南翼61610 首采工作面為研究對象，對工作面初采期間頂板采取水力壓裂技術[1-5]，通過對頂煤頂板超前水壓致裂，破壞基本頂整體穩定性，降低巖體強度，縮短工作面初采時來壓步距，降低了工作面初次來壓強度，削弱初次來壓對工作面液壓支架沖擊破壞作用，從而提高工作面安全回采系數。

1 概況

61610工作面為61盤區南翼第一個綜放工作面，東、西為61608、61612 工作面（尚未準備），巷道北起6 煤西翼主運大巷，南至G109 國道保護煤柱線。61610 工作面設計走向長度2465 m，傾向長度255 m，回采煤層為6#煤層，煤層厚度24 m，傾角5°，頂底板巖性見表1。

表1 6#煤層頂底板巖性匯總表

61610 工作面采用綜采放頂煤工藝，工作面切巷已施工到位，為避免61610 工作面初采期間頂板大面積來壓，保證工作面正常安全初采，需弱化工作面頂板巖層，減小初次來壓步距和來壓強度，增加初采期間頂煤冒放率。

2 水力壓裂施工方案

2.1 水壓壓裂技術原理

在工作面頂板施工普通加長鉆孔，采用專用開槽鉆頭對鉆孔終端進行橫向切槽，然后對切槽段進行封孔處理，最后利用高壓水流對橫向切槽段進行水壓致裂。在高壓水力作用下，切槽段巖體產生裂隙并向巖體內部延伸，增加巖體裂隙度，從而破壞堅硬巖體穩定結構，降低巖體硬度。在回采過程中頂板由原來的一次性垮落變為分層分次垮落，縮短初次來壓和周期來壓步距，降低來壓強度，削弱頂板來壓時對支架破壞力度，避免來壓時頂板大面積一次性垮落導致工作面破壞嚴重、有害氣體超限等事故。

2.2 水力壓裂鉆孔布置參數

61610 工作面切巷寬度為10 m，長度為255 m。為了實現初采期間頂板完全垮落，決定對切巷頂板施工兩排水力壓裂鉆孔，鉆孔具體布置參數如下：

（1）位于工作面煤壁側布置一排水力壓裂鉆孔，鉆孔深度為45 m，直徑為75 mm，鉆孔偏向煤壁側夾角為45°，鉆孔開口位置與工作面煤壁間距為2.0 m，鉆孔布置間距為20 m。

（2）位于采空區側水力壓裂鉆孔與煤壁側鉆孔布置排距為5.5 m，鉆孔深45 m，直徑為75 mm，鉆孔偏向采空區側夾角為75°，鉆孔開口位置與采空區側煤壁間距為2.5 m，鉆孔間距為20 m。水力壓裂鉆孔布置示意圖如圖1。

圖1 水力壓裂鉆孔布置示意圖（mm）

2.3 水力壓裂施工工藝

2.3.1 鉆孔施工

61610 工作面水力壓裂鉆孔采用ZYJ-1250 型液壓鉆機進行施工，鉆孔布置在切巷穩定完好的頂板上，采用直徑為65 mm 中空鉆桿配合直徑為75 mm合金鋼鉆頭進行鉆進。當鉆孔鉆進至切槽段時，及時更換專用螺旋式切槽鉆頭進行施工，切槽長度為0.5 m，切槽深度為0.3 m，切槽完成后更換普通鉆頭繼續鉆進。根據61610 工作面頂板巖性情況，決定對頂板進行三處切槽，煤壁側鉆孔分別為15 m、25 m、35 m 處，采空區側鉆孔分別位于18 m、28 m、38 m 處。

2.3.2 注水壓裂設備

水力壓裂設備主要由高壓注水泵、封孔器、封孔注水裝置等部分組成，如圖2 所示。其中高壓注水泵主要由壓力表、流量計、高壓供水膠管以及注水鋼管等部分組成，高壓注水泵最大注水壓力為25 MPa；封孔注水裝置主要由壓力表、蓄能器、高壓注水膠管等部分組成，采用手動打壓模式，最大壓力為5.5 MPa；采用囊袋式雙層封孔裝置進行封孔，封孔長度為0.5 m。

圖2 61610 工作面水力壓裂施工示意圖

2.3.3 施工工藝

（1）首先在水力壓裂段前后0.5 m 各安裝一個囊袋式封孔裝置，將封孔裝置與高壓供水膠管連接，開啟手動打壓泵進行打壓注水。在打壓注水時回水管路出現回水現象時停止打壓，確保封孔器完全膨脹并對鉆孔進行封堵。

（2）切槽段封孔完成后，對封孔中部插入注水鋼管，將注水鋼管與注水泵連接進行注水施工。注水時先低壓確保注水段完全注入水量，然后逐漸增加注水壓力，當注水壓力達15～20 MPa 時穩定注水時間不低于10 min。第一個切槽段注水完成后進行下一個切槽段注水施工，施工工藝相同。

3 應用效果

3.1 頂板致裂效果

2021 年8 月17 日61610 工作面切巷頂板水力壓裂施工已完成，切巷共計施工24 個壓裂孔。為了驗證頂板水力壓裂效果，切巷段施工三個驗證孔（機頭、機尾以及中部），孔深度為40 m，直徑為75 mm，驗證孔布置在同一組壓裂孔中部。驗證孔施工完后，采用ZKXG100 型鉆孔成像軌跡檢測儀對圍巖進行觀察，發現鉆孔0～17 m、21～26 m 以及30～37 m 段鉆孔壁巖體成致密狀，未出現孔壁破碎現象，孔壁巖體局部出現裂隙；而17～21 m、26～30 m、37～45 m 段孔壁破碎嚴重，孔壁四周裂隙高度發育，裂隙最大延伸長度達2.4 m。由此可見水壓壓裂后，頂板巖體達到提前預裂效果。

3.2 來壓步距情況

2021 年9 月21 日61610 工作面設備搬家且調試完成，9 月28 日工作面開始回采，回采前期工作面單刀割煤深度為0.8 m，通過與61609 工作面初采期間來壓步距、支架工作阻力進行對比分析發現：

（1）61601 工作面頂板未進行水力壓裂時，工作面在推進19 m 后直接頂全部垮落，當工作面推進48.7 m 時基本頂垮落。通過現場觀察發現，工作面來壓時工作面頭尾處來壓破壞小，壓力破壞區主要集中在工作面中部，受來壓破壞影響，工作面中部頂板破碎以及煤壁片幫嚴重，最大片幫深度達2.7 m，工作面來壓時液壓支架最大工作阻力為6152 kN，72%的液壓支架平均工作阻力在4600～5800 kN。

（2）61610 工作面頂板采取水力壓裂后，工作面回采至2.6 m 處時直接頂開始出現垮落，當工作面推進至5.7 m 處時直接頂出現全部垮落，工作面推進至13 m 處時基本頂達到全部垮落狀態，相比水力壓裂前工作面來壓步距縮短了35.7 m。來壓期間通過對工作面液壓支架觀察發現，初次來壓期間，支架平均工作阻力為4117 kN，最大工作阻力為5489 kN；來壓期間未出現工作面煤壁大面積片幫以及頂板破碎現象，水力壓裂后縮短了來壓步距，有效緩解了頂板壓力。

4 結語

龍王溝煤礦61610 工作面頂板采用了水力壓裂技術，通過理論分析以及實際效果來看，實現了對頂板超前預裂的目的，有效降低了頂板巖體強度，初采時縮短了來壓步距，降低了來壓破壞力度，保證回采后頂板能夠分層分次及時垮落，保證了工作面安全回采。