中厚煤層堅硬頂板水力壓裂初采初放技術應用研究

吳同勛

(煤炭工業(yè)太原設計研究院集團有限公司，山西 太原 030000)

1 工程概況

西馮街煤業(yè)3402綜放工作面位于礦區(qū)北部區(qū)域，回采區(qū)域地表位于引渠村以東660～810 m，地面標高+595～+676.4 m，煤層埋深122～206 m，采動區(qū)域內，地表為山地，無河流，地勢呈南高北低，開采范圍及其四周120 m范圍內無任何建筑物。3402綜放工作面井下位于四盤區(qū)膠帶巷左翼160～310 m處，東部為3403采空區(qū)，南部為四盤區(qū)回風巷、四盤區(qū)膠帶巷、四盤區(qū)軌道巷；西部為3401采空區(qū)；北部為礦界保安煤柱。工作面所開采3號煤層屬二疊系下統(tǒng)山西組，煤層厚度平均2.95 m，煤層傾角1～5°，煤層厚度比較穩(wěn)定，煤硬度為f=3～4，工作面采高3.0 m，采用走向長壁，綜合機械化放頂煤采煤方法，全部垮落法管理頂板，頂?shù)装鍘r性特征如表1所示。3402工作面老頂硬度大、厚度大，自行垮落困難，威脅礦井的安全高效生產(chǎn)。

表1 3402工作面頂?shù)装鍘r性特征

2 3402工作面老頂分級等級

結合西馮街煤礦3號煤層以往采煤工作面的礦壓現(xiàn)象規(guī)律，3402工作面上方均厚16.5 m長石砂巖為老頂，為關鍵層，該巖層是否垮落對于回采工作面及巷道內的礦壓現(xiàn)象特征具有顯著影響，老頂初次垮落引起工作面老頂初次來壓，老頂初次來壓當量Pe可作為判別老頂來壓強度的依據(jù)，其計算公式為[1]：

Pe=241.3lnLf-15.5N+52.6h2

(1)

式中：Pe為老頂初次來壓當量，kPa；Lf為老頂初次垮落時工作面推進距離，m；N為采空區(qū)直接充填系數(shù)，h1/h2，h1為直接頂及偽頂厚度，m；h2為采高，m.

西馮街煤礦3號煤層與3402工作面類似地質條件和開采技術條件工作面初次來壓步距為80 m左右，3402工作面直接頂和偽頂厚度1.5 m，工作面采高為3.0 m，h1=1.5 m，hm=3.0 m，由公式(1)計算可得3402工作面老頂初次來壓當量為1 207.43，參閱相關研究成果[1]，老頂初次來壓等級為IVb等級，老頂來壓時工作面及巷道內來壓顯現(xiàn)將非常強烈，存在引發(fā)安全事故的隱患。根據(jù)老頂初次來壓當量的計算公式可以看出，對于某一特點工作面，其采高、直接頂、偽頂厚度為確定值，則老頂初次來壓當量與初次來壓步距呈正相關，因此可采取人工放頂措施來減小老頂初次來壓步距，進而減小老頂初次來壓當量。

3 水力壓裂參數(shù)確定

為減小3402工作面老頂初次來壓步距，設計采用水力壓裂技術處理長石砂巖老頂，為取得理想的切頂效果，本節(jié)對水力壓裂的關鍵參數(shù)進行選定。

3.1 壓裂高度分析

壓裂高度對于預裂效果至關重要，結合類似地質條件下相關研究成果，壓裂高度需不小于垮落帶高度和老頂高度的最大值，3402工作面頂板為堅硬巖層，其垮落帶計算公式[2]：

(2)

式中：Hm為垮落帶高度，m；∑M為工作面采高，m；3402工作面采高為5.28 m，計算可得其垮落帶發(fā)育高度為4.72 m，老頂最大高度(距采煤工作面頂板)為20.82 m，因此水力壓裂垂直高度應不小于20.82 m.

3.2 壓裂方位角的選擇

水力壓裂初始階段，水力裂紋沿鉆孔內切槽方向擴展，擴展到一定范圍后，水力裂紋將沿著最大主應力方向延伸擴展[3-4]，因此壓裂鉆孔沿著與最大主應力平行的方向將取得最佳的切頂效果，根據(jù)3402工作面相關資料可得，3402切眼最大主應力方向為N1.6°W，工作面向沿東西方向布置，沿正北方向推進，為方便現(xiàn)場施工，設計鉆孔方位角沿正北方向，如圖1所示。

圖1 壓裂鉆孔方位角選擇

4 3402工作面水力壓裂方案設計

結合前文研究成果，提出3402工作面壓裂鉆孔布置方案，在切眼內靠近工作面一側布置①類、②類兩種鉆孔，分別為S孔、L孔，鉆孔直徑56 mm，呈交替布置，S孔與水平方向夾角50°，L孔與水平方向夾角30°，方位角均沿正北方向，S孔長度28 m，垂直高度21.45 m，L孔長度30 m，垂直高度15.0 m，S孔、L孔交替布置，靠近工作面端頭的4個鉆孔間距為10 m，工作面中部其余鉆孔間距15 m；切眼另一側及兩側回采巷道中部頂板布置③類鉆孔，垂直巷道頂板施工，直徑35 mm，深度10 m，間距10 m，切眼、兩側巷道分別布置20個，鉆孔布置如圖2所示。S孔切頂高度高，L孔切頂水平范圍長，兩類鉆孔交替布置可達到增大壓裂范圍的目的，兩類鉆孔與水平方向夾角不同，水力裂紋延伸方向將存在交叉，可實現(xiàn)多層次、立體化預裂破斷的目的。

圖2 3402壓裂鉆孔布置示意

現(xiàn)場實際施工過程中，首先進行切眼前方S孔、L孔的交替壓裂，兩側回采巷道頂板超前回采工作面10 m進行壓裂工作，切眼背部鉆孔在工作面推進8～10 m后進行壓裂工作，采用ZDY650型礦用鉆機進行鉆孔施工，S孔、L孔孔內每隔4 m設置1個切槽，每個孔共7個橫向切槽，切眼背部和巷道內的C孔不進行切槽，每個孔僅壓裂一次，壓裂位置距孔口5 m.S孔、L孔采用 FKss-45/40 型雙向孔器封孔，采用 3ZSB80/62-90 型高壓水泵，每個壓裂鉆孔壓裂7次。

5 應用效果分析

3402工作面采煤機每刀進尺 0.8 m，在回采11.2 m后，上三角區(qū)域頂板開始大面積垮落，繼續(xù)推進2.4 m后，下三角區(qū)域頂板開始垮落，工作面共回采24.8 m后，由支架間可觀察到頂板巖層已垮落充填采空區(qū)，頂板出現(xiàn)大面積垮落，現(xiàn)場情況如圖3所示。工作面回采過程中，經(jīng)常聽到頂板破斷的清脆聲音，可分析總結頂板出現(xiàn)了分層、分段斷裂垮落的現(xiàn)象，如圖3(c)所示，直接頂垮落早于老頂，且垮落距離超前于老頂，老頂破斷后逐漸彎曲下沉，老頂破斷時現(xiàn)場未出現(xiàn)明顯的震動現(xiàn)象。

圖3 現(xiàn)場工作情況及頂板垮落情況

3402工作面回采期間，監(jiān)測液壓支架的循環(huán)末阻力，并以其均值與均方差之和作為頂板來壓的判據(jù)，將由運輸巷至軌道巷分為上、中、下3個測區(qū)，計算整理得到工作面上、中、下各部位支架循環(huán)末阻力變化情況如圖4所示。3402工作面液壓支架額定工作阻力10 000 kN，各液壓支架的工作阻力均未出現(xiàn)超出其額定工作阻力的現(xiàn)象，工作面上、中、下區(qū)域初次來壓步距分別為51 m、41 m、44 m，工作面初次來壓步距均值為46.6 m，將此時周期來壓步距代入老頂來壓當量計算公式，老頂初次來壓時Pe=1 063.56，老頂分級指標為III級，老頂來壓期間工作面及回采巷道內礦壓顯現(xiàn)由非常強烈降為強烈，有效將老頂來壓顯現(xiàn)等級降低一級。

圖4 支架工作情況

6 結 語

1) 西馮街煤礦3402工作面老頂初次來壓當量Pe=1 207.43，老頂分級為IVb等級，老頂初次來壓時預計工作面及回采巷道內將出現(xiàn)劇烈的礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，威脅礦井的安全生產(chǎn)。

2) 3402工作面頂板預裂垂直高度應不小于20.82 m，預裂鉆孔沿正北方向布置切頂效果較好，結合具體地質及開采技術條件，設計一套適用于3402工作面的水力壓裂切頂方案。

3) 3402工作面回采期間，頂板出現(xiàn)了分層、分段斷裂垮落的現(xiàn)象，老頂破斷時現(xiàn)場未出現(xiàn)明顯的震動現(xiàn)象，液壓支架工作面阻力滿足要求，工作面初次來壓步距46.6 m，老頂初次來壓當量為1 063.56，老頂分級降為III級，工作面及回采巷道內礦壓顯現(xiàn)程度由非常強烈降為強烈，實現(xiàn)了工作面安全高效生產(chǎn)。