米山煤業15103 工作面水力壓裂堅硬頂板技術研究

王進海

（山西省高平市科興米山煤業有限公司，山西 高平 048400）

1 工程概況

米山煤業有限公司主采山15#煤層，蓋山厚度約178～154 m，煤層平均厚度2.7 m，煤層結構簡單，含0～2 層夾矸，夾矸以炭質泥巖和灰黑色泥巖為主，煤層傾角為2°～8°，平均傾角為5°。煤層頂底板巖性見表1。直接頂為6.88～11.6 m 的K2 石灰巖；基本頂為16.17～17.5 m 的中粒長石砂巖；底板巖層為1.72～8.85 m 的細砂巖。15#煤層變化穩定，全區可采。

表1 煤層頂底板巖性

山15#煤層上方K2 石灰巖硬度較大，厚度大，且整體完整性相對較好，在工作面回采過程中，頂板巖層不易垮落，容易造成大面積懸頂，對安全生產帶來極大隱患，因此提出采用水力壓裂的方式對頂板K2 石灰巖進行處理[1-5]，解決其大面積懸頂的問題。

2 水力壓裂頂板巖層方案設計

15103 工作面開采的山15#煤層上覆6.88～11.60 mK2 石灰巖，完整性較好，較為堅硬，再往上16.17～17.5 m 的中粒長石砂巖，完整性也較好，且抗壓強度較大，達45.3 MPa。參考相鄰工作面回采期間，頂板不易垮落，為防止頂板懸空面積過大，帶來安全隱患，后期還需進行強制放頂，嚴重制約了工作面的正常回采，且有較大的安全隱患。因此15103 工作面計劃采用水力預裂的方式，提前對工作面頂板巖層進行處理，促使頂板巖層在工作面回采后及時垮落[1-5]。壓裂鉆孔示意圖如圖1。

圖1 壓裂鉆孔示意圖

在工作面前方40 m 位置，在運輸巷和回風巷采幫側均施工壓裂鉆孔，分別記為C 類、D 類鉆孔，與水平方向夾角為25°，走向方向角為80°，長度為30 m。C 類鉆孔和D 類鉆孔前方10 m 位置，在運輸巷和回風巷采幫側分別布置A 類鉆孔和B類鉆孔，與水平方向夾角為30°，走向方向角為90°，長度為40 m。在A 類鉆孔和B 類鉆孔前方25 m 位置再重復施工C 類鉆孔和D 類鉆孔，循環往復。四類鉆孔參數見表2。

表2 壓裂鉆孔參數

3 工業性試驗

3.1 現場施工

現場水力壓裂流程如圖2：

圖2 水力壓裂工藝流程示意圖

（1）用Ф65 mm 的鉆頭進行鉆孔，當鉆孔滿足設計要求時，更換鉆頭，在鉆孔孔底位置施工切槽，如圖2（a）所示；

（2）連接高壓注水管，將封隔器送到切槽的既定位置，封隔器與手動泵通過低壓水管連接，利用手動泵往內壓水，使封隔器膨脹并達到封孔的目的，如圖2（b）所示；

（3）將高壓泵與高壓注水管連接，并安裝水壓儀，利用高壓泵注水，對鉆孔封隔斷進行壓裂，水壓儀用于記錄壓裂過程中水壓的變化情況，如圖2（c）所示。

在水力壓裂過程中，需注意以下事項：

（1）檢查注水管路無阻塞情況時，方可連接；

（2）手動泵注水封孔時，注水壓力一般為10～12 MPa 即可；

（3）高壓泵注水壓裂前，應在施工位置前后100 m 處設置警戒線，與施工作業無關人員嚴禁入內；

（4）啟動高壓泵進行水力壓裂過程中，如附近觀測鉆孔或錨桿（索）發生瀝水、出水現象，應立即停止作業；

（5）應按照由里到外、從遠到近的順序對鉆孔進行水力壓裂。

3.2 現場試驗效果

3.2.1 水力壓裂施工效果

對15103 運輸巷及回風巷頂板巖層進行水力壓裂過程中，記錄數據見表3。

表3 水力壓裂數據記錄

如表2 所示，距離孔底位置越近，鉆孔壓裂所需水壓就越大，由于A 類鉆孔和B 類鉆孔比C 類鉆孔和D 類鉆孔長度大，因此鉆孔壓裂時所需水壓也更大。

3.2.2 工作面液壓支架工作阻力監測

（1）水力壓裂前后工作面液壓支架工作阻力

對工作面頂板巖層水力壓裂前后，15103 工作面回采過程中液壓支架最大工作阻力對比如圖3。

圖3 水力壓裂前后工作面液壓直接工作阻力

如圖3 所示可知，未對工作面頂板巖層進行水力壓裂時，工作面液壓支架工作阻力最大值為5700 kN，水力壓裂后，工作面液壓支架工作阻力最大值為4300 kN，水力壓裂后工作面液壓支架工作阻力降低了24.6%。現場試驗結果表明，對工作面頂板巖層進行水力壓裂后，改善了采場圍巖應力環境，液壓支架最大工作阻力降低明顯。

（2）水力壓裂后工作面液壓支架工作阻力變化

對8103 工作面頂板巖層水力壓裂后，工作面回采過程中，液壓支架工作阻力變化情況如圖4。

圖4 水力壓裂后工作面液壓支架工作阻力

如圖4 所示，對工作面頂板巖層進行水力壓裂后，工作面回采過程中，工作面液壓支架平均工作阻力為3300 kN，壓力不大，液壓支架工作狀態良好，周期來壓步距平均為25.6 m。通過現場觀測，工作面回采過程中頂板巖層能夠及時垮落，未出現大面積懸頂現象，達到了預期目的。

4 結論

米山煤業主采的15#煤層頂板巖層堅硬，工作面回采過程中頂板巖層不易垮落，易形成大面積懸頂。根據實際條件，設計了15#煤層采場頂板巖層水力壓裂方案和參數。現場監測數據顯示，工作面液壓支架工作阻力最大值降低了24.6%，平均值僅為3300 kN，周期來壓步距平均值為25.6 m，回采過程中頂板巖層能夠及時垮落，未出現大面積懸頂現象，達到了預期的目的。