工作面上方厚堅硬頂板水力弱化技術實踐

盧少帥，雷 皓，雷鵬翔，向海軍

(陜西陜北礦業韓家灣煤炭有限公司，陜西 榆林 719315)

0 引言

韓家灣煤礦213108工作面位于3-1煤層一盤區東部，上部為未采動區。其北部為213107工作面采空區，西部為3-1煤層一盤區回風巷東部，南部為設計的213109工作面，東部為石圪臺煤礦井田邊界。該工作面寬度為262 m，可采長度為2 488 m。地表總體東高西低，全部被風積沙覆蓋，屬較平坦的沙丘地形。標高范圍+1 288～+1 336 m。213108綜采工作面回采區域為3-1煤層，煤厚2.3～2.9 m，平均煤厚2.7 m，回采區域無斷層及較大的褶皺，亦無巖漿巖活動，地層產狀平緩，傾角約1.5°。工作面在回采過程中局部可能會出現河流沖刷、沉積充填等現象，導致工作面內頂板比較破碎。

1 頂板等級劃分及切頂高度計算

韓家灣煤礦213108工作面采高為2.7 m，基本頂為厚度15.4 m的細粒砂巖和粉砂巖。基本頂初次垮落步距按式(1)[1-3]計算

(1)

式中，h為基本頂厚度，m；Rt為基本頂抗拉強度，MPa；q為基本頂受到的垂直應力載荷，MPa。

基本頂自身重力引起的載荷q1=γ1×h1=24.5×15.4=377.3 kPa，計算可得上部第2層巖層對基本頂的載荷為206 kPa，可知頂板第2層巖層對基本頂基本無載荷，則可確定基本頂所受載荷q=q1=377.3 kPa。結合彈性理論[4-8]、213108工作面頂板條件及計算結果，可得213108綜采工作面初采初放水力壓裂壓力約為22 MPa。

213108工作面上覆巖層主要巖性為細砂巖和細粒砂巖，單層厚度大。根據3-1煤層平均厚度為2.7 m，結合上覆巖層分層特性，最大預裂高度控制在27 m左右，在具體水力壓裂過程中可以有針對性地進行預裂，以達到更好的壓裂效果。冒落帶高度按式(2)[9-10]計算

(2)

式中，M為采高，m；β為工作面傾角，(°)；KP為頂板巖層碎脹系數。

213108工作面采高2.7 m，傾角約為3°，頂板巖層主要為堅硬的細粒砂巖，碎脹系數取1.3，因此計算得到冒落帶高度為27 m，預裂垂直高度應不小于27 m。213108工作面上方均厚15.4 m細粒砂巖、粉砂巖、泥巖交互巖層既為直接頂也為基本頂，為采場頂板弱化的主要對象。

2 頂板水力壓裂弱化方案

2.1 預期壓裂效果

要想達到壓裂效果，靜水壓力應不小于巖石的單軸飽和抗壓強度，即不小于14.0 MPa；同時由于壓裂巖石為三向受壓狀態，故靜水壓裂需要適當加大，最大壓力選擇40 MPa，與其他礦井的水力壓裂經驗基本一致。為保證壓裂效果，鉆孔采用高位鉆孔與低位鉆孔及中位鉆孔組合布置的形式，這樣布置既可以保證壓裂效果，又不會使頂板過早的垮落，通過前述計算，結合韓家灣煤礦巖層強度，高位孔(H孔)間距選擇20 m，低位孔(L孔)間距也選擇20 m，2類孔組合使用，即高位孔和地位孔間距為10 m，因為壓裂不在同一高度，故可以保證壓裂效果。

2.2 水力壓裂弱化方案

在切眼、兩順槽布置19個高位壓裂鉆孔-H(H1～H19)、15個低位壓裂鉆孔-L(L1～L15)和8個中位壓裂鉆孔-C(C1～C8)，鉆孔H、L、C交替垂直煤壁布置在切眼及兩順槽；在兩順槽布置4個反向壓裂鉆孔-F(F1～F4)、4個中位孔-C(C9～C12)，4個低位壓裂孔-L(L16～L19)，鉆孔布置如圖1所示。

圖1 水力壓裂鉆孔平面布置

切眼內鉆孔均垂直于煤壁布置。高位壓裂鉆孔-H，鉆孔長度40 m，傾角45°；低位壓裂鉆孔-L，鉆孔長度45 m，傾角22°；中位壓裂鉆孔-C，鉆孔長度42 m，傾角32°；L16～L19、C9～C12與巷道夾角90°。L16、L18距切眼煤壁10 m；L17、L19距切眼煤壁30 m；C9、C11距切眼煤壁20 m；C10、C12距切眼煤壁40 m；反向壓裂鉆孔F1～F4與巷道軸向的夾角為20°，F1、F3距切眼煤壁40 m；反向壓裂鉆孔F2、F4距切眼煤壁50 m；鉆孔H開口位置距離底板2.8 m處，鉆孔C開口位置距離底板2.8 m處，鉆孔L開口位置距離底板2.5 m處，鉆孔F開口位置距離底板2.5 m處。切眼H、L、C鉆孔空間位置如圖2所示，順槽內反向壓裂孔F空間位置如圖3所示。壓裂鉆孔-H，鉆孔長度40 m，傾角為45°；壓裂鉆孔-L，鉆孔長度45 m，傾角為22°；壓裂鉆孔-C，鉆孔長度42 m，傾角為32°。壓裂鉆孔-F，鉆孔長度45 m，傾角為22°。

圖2 鉆孔 H、L、C相對位置示意

圖3 鉆孔F位置剖面

3 水力壓裂弱化結果分析

3.1 水力壓裂弱化結果

通過213108工作面回采期間液壓支架阻力變化，確定水力壓裂采場頂板巖層的弱化效果，將工作面分為上部、中部、下部3個監測區域，監測、記錄液壓支架的工作阻力變化，整理可得進行水力壓裂的213108工作面和未進行水力壓裂的213102工作面支架工作阻力的變化規律。圖4為 213102工作面液壓支架工作阻力變化規律。3個測區液壓支架工作阻力的首個峰值出現在工作面推進約85 m時，工作面繼續推進160 m，液壓支架工作阻力又出現3個峰值，峰值間工作面推進平均距離為25 m。由此可知，未進行水力壓裂的213102工作面基本頂初次來壓步距為85 m，周期來壓步距約為18 m，支架工作阻力峰值平均為11 500 kN。

圖4 213102未水力壓裂弱化支架阻力曲線

圖5為213108工作面液壓支架工作阻力變化規律。首個峰值出現在工作面推進70 m后，各峰值間平均距離約20 m。可知基本頂初次來壓步距為70 m，周期來壓步距為12～14 m，峰值平均值為10 000 kN。由此說明，采用水力壓裂技術對頂板進行弱化后，基本頂的初次來壓和周期來壓步距均明顯減小，來壓強度同樣顯著減弱，能夠減小采場頂板懸露面積，有效防止大面積來壓引發的安全事故。

圖5 213108水力壓裂弱化支架阻力曲線

3.2 結果分析

通過對水壓致裂弱化后的213108工作面支架阻力和前期未經過弱化的213102工作面支架阻力變化對比。分析水壓致裂弱化和未弱化礦壓規律可知，水壓致裂弱化后工作面支架阻力平均較未弱化阻力減小20%～25%，初次來壓步距較未弱化減少15～20 m，周期來壓步距減小5～8 m。經過水壓致裂弱化后的頂板未出現工作面局部壓架及頂板動載現象，而在未進行頂板弱化的213102工作面出現局部的動載現象，所以水壓致裂弱化后的基本頂初次來壓和周期來壓步距均明顯減小，來壓強度同樣顯著減弱，能夠減小采場頂板懸露面積，有效防止大面積來壓引發的安全事故，有效地解決了工作面安全生產難題。

4 結論

(1)水壓致裂弱化后工作面支架阻力值較未弱化減小20%～25%，初次來壓步距較未弱化減少15～20 m，周期來壓步距減小5～8 m。

(2)采用高、中、低位3種鉆孔特殊的聯合布置形式，極大地提高了工作面頂板水壓致裂弱化效果，簡化了施工程序并且大大提升了礦井經濟效益。

(3)經過水壓致裂弱化后的頂板未出現工作面局部壓架及頂板動載現象，減少了采場頂板懸露面積，杜絕了工作面頂板災害的發生。