豹子溝煤業綜放工作面水力預裂初次放頂技術研究

陳金濤

（山西煤炭進出口集團 蒲縣豹子溝煤業有限公司，山西 臨汾 041000）

在煤礦開采中，通常采用全部垮落法管理工作面采空區頂板，但我國大部分煤礦采空區頂板無法隨工作面推進及時垮落，如巖石強度高、節理裂隙不發育、厚度大、整體性強、自承能力強等頂板巖層。此類頂板的來壓步距往往較大，動力現象明顯，威脅煤礦安全開采。針對此類難垮頂板，傳統的控制方法基本是以爆破為主，破壞頂板結構，削弱其整體性，達到降低周期垮落步距和來壓強度的目的。然而該方法也存在工程量大、成本高、污染井下空氣等問題，且對于淺埋深情況，爆破控頂易對地面及周邊環境的安全構成一定威脅。本文以豹子溝煤業為例，采用水力壓裂切頂卸壓技術，保障礦井安全開采。

1 概 況

山煤國際豹子溝煤業現生產水平為+1 050 m，10109 工作面井下位于一采區東北部，開采9+10+11 號煤層。東側30 m 是山西晉煤集團臨汾晟泰新夢源煤業有限公司與豹子溝煤業的井田邊界，南部為10103 工作面采空區，西與回風大巷、運輸大巷和軌道大巷相連，北部為未開采實體煤層。工作面的運輸順槽斷面寬×高為5.2 m×3.2 m（掘進斷面），回風順槽斷面寬×高為5.0 m×3.2 m（掘進斷面），如圖1 所示。9+10+11 號煤層采用綜采放頂煤的采煤工藝，沿底板回采，采高2.8 m，頂板采用自然垮落法管理。根據相關鉆孔資料，10109 工作面頂板巖性、節理、層理以及層位分布情況見圖2、表1。

表1 豹子溝煤業9+10+11 號煤層及其頂底板巖層物理力學特性參數Table 1 Physical and mechanical parameters of No.9+10+11 coal seam and its roof and floor strata in Baozigou Coal Industry

圖1 10109 工作面布置Fig.1 Layout of No.10109 Face

圖2 10109 工作面頂板鉆孔綜合柱狀圖Fig.2 No.10109 Face roof drilling comprehensive histogram

分析10109 工作面頂板鉆孔資料可知，其頂板主要為石灰巖，9 號煤與10+11 號煤中間夾含泥巖層。10+11 號煤頂板巖性從下到上依次是0.53 m 泥巖、1.03 m 的9 號煤、12.9 m 石灰巖。石灰巖抗壓強度72.5 MPa，致密堅硬；9 號與10+11 號煤層間夾矸泥巖抗壓強度為48.2 MPa，強度高，會大幅影響頂煤采出率。

與10109 工作面情況類似的10107 工作面已回采完畢。但在10107 工作面回采時，頂板大面積懸露在采空區，短期內不垮落；而一旦垮落，一次垮落的面積大、高度大，有強烈的周期性來壓。10107 工作面頂板的初次來壓步距也較大，可達35 m，來壓時有明顯的動力現象，存在造成支護設備損壞，危及人身安全等惡性事故隱患，給礦井通風、安全管理帶來很大的挑戰。同時由于在初次來壓前不進行放頂煤作業，導致工作面在此期間的頂煤全部丟失頂煤回收量低。

因此，為了提高10109 工作面初采頂煤回收率，降低巷道壓力和變形破壞程度，通過分析研究，決定對10109 工作面進行水力預裂放頂，為礦井的安全高效開采提供技術保障。

2 水力壓裂原理與技術

水力壓裂是指裂紋由于其內部液體壓力的作用而開裂并擴展的過程，由于應用領域的不同，有時也稱作水壓致裂或水力劈裂。水力壓裂技術廣泛應用于石油、天然氣或地熱的開采及增產、放射性廢物的處置、地應力的測量等領域。

水力壓裂切頂技術在煤炭開采領域的應用主要是指在鉆孔壓裂段預制裂縫，從而控制水力壓裂裂紋擴展方向的技術，對堅硬頂板的控制有著非常明顯的效果，主要表現在壓裂和軟化兩個方面，削弱頂板的強度和整體性，使采空區頂板能夠分層分次垮落，縮短初次來壓和周期來壓步距，達到減小或消除堅硬難垮頂板對工作面回采危害的目的。水力壓裂技術具有安全性高、工程量小、成本低及適應性強（如高瓦斯礦井）等特點。該技術已經在晉城、潞安、邢臺、伊泰、中煤蒙陜、神東、神南礦區推廣應用，取得了良好的技術與經濟效益。

3 水力壓裂切頂卸壓設計

3.1 主要施工機具

此次工程主要施工機具規格見表2。

表2 主要施工機具規格型號及技術參數Table 2 Main construction machinery specifications and technical parameters

3.2 設計方案

根據10109 工作面頂底板巖性綜合柱狀圖可知，工作面上方厚12.9 m 的K2石灰巖和厚0.53 m的泥巖，屬于半堅硬-堅硬巖石，為水力壓裂的主要處理層位。鉆孔參數根據頂板巖層厚度、巖性、礦壓顯現特點與范圍，壓裂鉆孔布置如圖3 所示。

圖3 10109 工作面鉆孔布置Fig.3 Drilling layout of No.10109 Face

3.2.1 10109 運輸順槽鉆孔布置參數及壓裂參數

10109 運輸順槽距切巷老塘幫12 m 處，每隔8 m 布置1 組壓裂鉆孔，每組包含2 個鉆孔，即A孔和B 孔，孔徑56 mm。共布置A 壓裂鉆孔4 個，鉆孔距未開采實體煤幫（外幫）0.5 m，鉆孔深度19 m，仰角50°，與巷道軸線平行，鉆孔編號分別為A1、A2、A3和A4；布置B 鉆孔4 個，鉆孔距順槽內幫（煤壁幫）0.5 m，鉆孔深度21.5 m，仰角50°，水平角30°，鉆孔編號分別為B1、B2、B3和B4。壓裂鉆孔布置如圖4 所示。

圖4 10109 運輸順槽鉆孔布置平、剖面圖Fig.4 10109 transport crossheading drilling layout plan,profile

A 鉆孔5 m 以內不壓裂，K2 石灰巖區段每2 m壓裂一次，A 孔壓裂7 次；B 孔5.5 m 以內不壓裂，壓裂8 次。采用從孔底到外的倒退式壓裂方式，封孔器封孔壓力為10～16 MPa，壓裂壓力不低于25 MPa，每次壓裂保壓30 min。

3.2.2 10109 切眼鉆孔布置參數及壓裂參數

10109 切眼每8 m 布置1 個壓裂鉆孔（C 孔），C1距運輸順槽8 m，布置C 壓裂鉆孔共計17 個，孔徑56 mm，鉆孔深度19 m，仰角為50°，與切巷軸線垂直，鉆孔編號分別為C1～C17。壓裂鉆孔布置如圖5 所示。

C 鉆孔3 m 以內不壓裂，K2 石灰巖區段每2 m壓裂一次，每孔壓裂8 次；采用從孔底到外的倒退式壓裂方式，封孔器封孔壓力為10～16 MPa，壓裂壓力不低于25 MPa，每次壓裂保壓30 min。

3.3 實施效果

根據豹子溝煤業采掘銜接部署，10109 工作面按水力壓裂設計方案現場施工水力壓裂鉆孔，于2022 年4 月14 日開始進行初采，于4 月30 日零點班工作面采空區頂板大面積跨落，回風順槽頂板壓力明顯，工作面液壓支架工作阻力持續增加，上下隅角老頂全部跨落。

（1）工作面液壓支架最大工作阻力39.8 MPa，解決了回采巷道壓力大、變形破壞嚴重等問題，有效降低巷道的維護成本和維護次數，與未卸壓相比，巷道總體變形量減少50%以上，降低返修率30%以上。

（2）該方案縮短了10109 綜放工作面的初次來壓步距，多回收原煤1.23 萬t，經濟效益顯著。

（3）從安全環保生產角度，項目的實施減少了采空區丟煤量，防止采空區自燃發火，有效解決了上隅角懸頂問題，防止瓦斯積聚，為綜放工作面安全高效生產提供保障，同時水力壓裂對工作面頂板可以起到一定的注水降塵作用，在保障一線工人職業健康方面具有積極意義。

4 結語

根據豹子溝煤業10109 工作面井下實際環境和作業條件，圍繞初采期間頂煤冒落困難、回收率低，回采巷道壓力大、變形破壞嚴重等問題，從堅硬頂板治理的角度出發，引入水力壓裂切頂卸壓技術，進行了水力壓裂放頂工程?，F場實踐結果表明，水力壓裂切頂卸壓技術可以使頂板巖層定向壓裂、破壞頂板巖層的完整性，削弱頂板的強度和整體性，使采空區頂板能夠分層分次垮落，縮短初次來壓和周期來壓步距，達到了早垮落早放頂的目的，減小了堅硬難垮落頂板對工作面回采危害，確保工作面初放期間的安全生產，增加工作面的資源回收率，具有一定的推廣價值。