水力壓裂技術在采面頂板管理中的應用

杜國凱

（山西焦煤汾西礦業（集團）雙柳煤礦，山西 柳林 033300）

0 引言

井工開采是煤炭主要開采方式，其中開采煤層中超過1/3 的頂板為堅硬頂板。當回采煤層為厚度大、完整性好、難以垮落頂板時，導致采空區懸空面積偏大，礦壓顯現及瓦斯涌出等異常[1-3]。采用頂板弱化技術對堅硬頂板進行處理，可降低頂板完整性及強度，實現隨采隨垮、降低采空區懸頂面積效果，現階段常用的頂板弱化技術包括有深孔預裂爆破、水力壓裂、CO2致裂等，現場均有較好的應用效果[4-6]。水力壓裂通過注水鉆孔、高壓泵及注水管路等向堅硬頂板注入高壓水，壓裂期間不會產生有害氣體或者導致CO2超限等問題，在施工便捷性、安全性等優勢較為顯著[7-9]。文中就以山西某礦151305 綜采工作面回采為背景，通過采用水力壓裂技術對回采的15#煤層堅硬頂板進行弱化處理，有效降低了頂板懸空面積以及采面礦壓顯現，為煤炭安全高效開采創造良好條件。

1 工程概況

山西某礦151305 綜采工作面回采的15#煤層厚度1.79～2.45 m（平均2.24 m），埋深357 m，與上覆9#煤層間距在65～80 m 間。15#煤層賦存較為穩定，含0～4 層夾矸，夾矸厚度累積0.3～0.75 m。15#煤層底板多為泥巖，少數為粉砂巖；頂板為K2 石灰巖，局部為薄層黑色泥巖。

15#煤頂板直接頂為致密堅硬的石灰巖，厚層穩定，強度68～112 MPa，屬于堅硬頂板。

151305 綜采工作面切眼斜長175 m、推進長度1 560 m，開采時初次來壓步距25～30 m、周期來壓布距23～30 m；采面回采后頂板冒落帶、裂隙帶發育高度分別為5.6～8.9 m、24.5～32.5 m。采面回采期間，采空區頂板懸空面積過大，不僅增加回風隅角瓦斯涌出量，而且導致液壓支架礦壓顯現異常、采面巷道變形量大。因此，提出用水力壓裂技術弱化頂板，以便提高采面頂板管理質量。

2 水力壓力技術應用

2.1 水力壓裂布置

2.1.1 采面鉆孔布置

采面水力壓裂鉆孔布置，如圖1 所示。鉆孔用直徑56 mm 鉆頭施工。鉆孔有兩種類型，分別為壓裂鉆孔-S'，（孔深25m、仰角45°）、壓裂鉆孔-L'（孔深33 m、仰角30°），壓裂鉆孔間距10 m。采面水力壓裂時先鉆進、壓裂L'鉆孔，后鉆進、壓裂S'鉆孔。

圖1 采面內水力壓裂鉆孔布置示意圖

2.1.2 順槽鉆孔布置

順槽內水力壓裂鉆孔布置，如圖2 所示。鉆孔均用56 mm 鉆頭鉆進，順槽內水力壓力鉆孔分為壓裂鉆孔-H（孔深25 m、仰角45°）、壓裂鉆孔-S（孔深18 m、仰角45°）、壓裂鉆孔-L（孔深35 m、仰角30°）。順槽內鉆孔間隔設計為10 m，當頂板巖層可及時垮落時可將壓裂鉆孔-H 間距調整為15 m。具體鉆孔鉆進、壓裂順序為：先鉆進、壓裂鉆孔-L，其次鉆進、壓裂鉆孔-S，最后鉆進、壓裂鉆孔-H。

圖2 順槽水力壓裂鉆孔布置

2.2 壓裂鉆孔打設及開槽

1）鉆孔采用ZDY 鉆機、配合專用鉆頭在15#煤層上覆石灰巖、粉砂巖等堅硬巖層中鉆進，鉆頭直徑為56 mm，鉆孔施工參數按照設計參數進行。

2）完成鉆孔施工后，采用鉆孔窺視儀探測圍巖裂隙擴展、結構等情況，并根據窺視結果決定橫向開槽位置，開槽用KZ54 特殊鉆頭，在制定位置通過開槽鉆頭形成超過孔徑一倍的楔形槽。

3）開槽應選擇堅硬頂板位置，當鉆頭位于鉆孔底部時適當降低鉆進速度，當鉆進至底部時適當回退鉆桿并施加5 MPa 壓力緩慢推進，使得開槽鉆頭緩慢張開，避免鉆頭受到較大沖擊力作用。

4）鉆孔開槽時應密切關注鉆孔出水情況，開槽完成后撤回開槽鉆頭，換普通鉆頭繼續鉆進至下一開槽位置，如此反復直至水力壓裂鉆孔施工完成。

5）水力壓裂鉆孔、開槽等工作全部完成后，用靜壓水反復沖洗鉆孔。

6）在鉆孔鉆進時應適當降低鉆機給進壓力、給進速度，確保鉆孔直線度，便于后續封隔器推入。

水力壓裂施工主要涉及鉆孔鉆進、開槽、鉆孔封孔以及高壓水壓裂等環節，具體采面堅硬頂板水力壓裂使用的主要設備，如表1 所示。

表1 主要施工機具

3 現場應用效果分析

工作面液壓支架后方采空區最大懸頂長度監測數據，如表2 所示。從監測結果看出，在水力壓裂區內回采時采空區頂板懸空面積最大為4 m×4 m，懸空面積整體較小，采空區頂板基本實現隨采隨垮，有效解決了采空區頂板懸空面積過大引起的礦壓顯現異常、瓦斯涌出量大等問題。具體在水力壓裂區域內推進時，水力壓裂在堅硬頂板弱化處理中取得較為顯著成果。

表2 工作面支架后方懸頂長度監測數據

4 結語

采用水力壓裂技術對151305 綜采工作面堅硬頂板進行弱化，降低頂板穩定性、實現即時垮落。依據采面現場情況在采面內、回采巷道內布置水力壓裂鉆孔，對上覆堅硬的石灰巖進行弱化，并對鉆孔布置方案進行設計。現場應用后，采面堅硬頂板強度明顯降低，采空區頂板最大懸空面積由10 m×6 m 縮小至4 m×4 m 以內，采空區頂板可及時垮落。水力壓裂技術在151305 綜采工作面取得較為顯著的應用成果，采面礦壓顯現程度有所降低，便于頂板管理。