水壓預裂技術在工作面堅硬頂板中的應用

魏上津 牛佳波 胡志華

（陜西有色榆林煤業有限公司，陜西 榆林 719000）

陜西有色榆林煤業有限公司杭來灣煤礦302 盤區采煤工作面采用一次采全高采煤工藝，可采煤厚度6.4～8.5 m，平均7.5 m。工作面頂板穩固性較好、整體性強，自穩能力較強，采煤過程中易形成兩端頭三角區域大面積懸頂集中突然垮落，產生巨大沖擊載荷和颶風，對設備造成嚴重損壞且威脅作業人員安全。鑒于此，在30201 工作面膠運順槽研究試用了水壓預裂技術，取得了較好的強制放頂效果。

1 工程概況

30201工作面位于3號煤層，該煤層平均厚度7.5 m，煤層埋深115.90～268.05 m。工作面煤層傾角為0.2°～0.5°，平均0.3°，采用綜采一次采全高采煤工藝。該煤層層位穩定，結構較為簡單，局部含2 層泥巖夾矸，夾矸厚度0.3 m。直接頂板以粉砂巖、泥巖為主，厚度0.08～49.86 m，變化較大；直接底板以粉砂巖、泥巖為主，厚度0.22～10.25 m。

膠運順槽凈斷面寬×高=6.4 m×4.0 m，切眼掘進寬度11.5 m、高度5.0 m。30201 工作面膠、輔運順槽及聯巷掘進過程中，頂板采用鋼筋網片、錨桿支護，膠運順槽正幫采用Φ20 mm×1800 mm 玻璃鋼錨桿，副幫采用Φ18 mm×2100 mm 金屬錨桿。

2 傳統卸壓技術綜述

傳統卸壓技術包括切縫卸壓技術、打孔卸壓技術、松動爆破技術。

2.1 切縫卸壓技術

切縫卸壓技術主要用于巷道卸壓，多采取底板切縫卸壓方式。切縫卸壓技術實施過程中，存在切縫施工難度大、工作量較大、施工工期較長等缺點。巷道切頂卸壓技術實施之后，底鼓量顯著減小，但是往往會導致應力向兩幫轉移，引發巷道片幫。

2.2 打孔卸壓技術

打孔卸壓技術是通過在工作面煤幫側施工大量斜向鉆孔，達到工作面頂板應力后移、切斷大面積懸頂的效果。該方式能夠實現工作面頂板圍巖應力的后移，保證采煤工作面的安全，并且能夠達到切斷懸頂的效果。但是該方式存在卸壓孔多、工作量大、施工進度慢等缺點。

2.3 松動爆破卸壓技術

該技術是在工作面頂板施工鉆孔，裝填炸藥對工作面頂板實施松動爆破，達到卸載卸壓的效果。該技術存在爆破卸壓效果難控制、高瓦斯礦井實施爆破風險大、淺埋擴井爆破控頂易對地面構成一定威脅等缺陷，實際應用較少。

上述3 種技術方法在轉移工作面圍巖附近應力、有效釋放巖體高應力、緩解動壓方面均有較好效果。但是以上3 個技術方法普遍存在工程量大、實施周期長、施工成本高等缺點，尤其是松動爆破卸壓技術的安全性差、爆破效果難控制。因此，以上3 種技術方法均未在工作面堅硬頂板中得以推廣應用。

3 水壓預裂技術

3.1 水壓預裂技術簡介

水壓預裂技術施工工藝成熟、操作簡單、弱化頂板效果可靠，能夠有效縮短周期來壓步距，屬于無公害的強制放頂技術。該技術是指針對堅硬難垮頂板，預先施工注水深孔并實施高壓注水，實現堅硬難垮頂板分段預裂、切斷堅硬頂板之間相互聯系，避免大面積懸頂形成，達到頂板分段自行垮落的目的。水力壓裂能夠實現頂板巖層的定向切割、轉移煤巖體承載高應力至深部圍巖，起到有效削弱巖層的整體性和穩定性的效果。并且水力壓裂技術存在切頂卸壓可靠性高、施工工程量小、施工周期短、施工成本低以及適應范圍廣（如高瓦斯礦井）等優點，能夠適用于工作面堅硬頂板卸壓工作。

3.2 作用原理

該技術作用原理包括壓裂卸壓、注水軟化兩個方面。鉆孔高壓注水形成裂縫并擴展，破壞堅硬頂板的整體性，削弱頂板整體強度；高壓水沿著裂縫和裂隙滲入頂板巖石，達到軟化頂板圍巖、降低頂板強度的效果，促使懸頂分層分次有序垮落[1-2]。

通過水力壓裂實現頂板圍巖的定向切割，有效控制工作面兩側孤形三角板的懸臂長度；輔之以高壓注水實現切縫周邊圍巖的弱化，實現采空區頂板的及時有序垮落，避免大面積懸頂的出現；同時，水壓預裂技術切斷相鄰工作面的應力聯系，避免采動應力向進風巷的傳遞，限制頂板覆巖大結構回轉下沉，有效避免了相鄰工作面的動壓相互影響程度。

3.3 施工流程和系統組成

頂板水力預裂包括封孔、高壓水壓裂、保壓注水預裂三大工序。水壓預裂技術施工流程：液壓坑道鉆機施工深孔→跨式膨脹型封孔器封孔→3ZSB80/62-90 型高壓水泵注水→保壓形成預制裂縫。保壓階段裂紋擴展會導致孔內水壓下降，此時須利用流量水壓監測儀動態監測流量及注水量，保證頂板巖層充分注水弱化。

注水壓裂系統主要由封孔器、靜壓水進水管路、高壓水泵、流量水壓監測儀組成。1）封孔器由中心管和封隔器膠筒組成，通過中心管注入高壓水，封隔器用以密封高壓水壓裂圍巖；2）注水管作用主要包括作為連接構件將封隔系統送至預定位置、作為加壓通道對封隔的鉆孔段進行壓裂兩個方面；3）高壓水泵的作用是給壓裂段加壓預裂，額定壓力62 MPa；4）流量水壓監測儀采用KJ327-F 型，對水壓致裂數據進行采集、顯示、記錄，并將采集數據（預裂壓力、流量等信息）傳送給計算機進行分析計算。

4 水壓預裂技術試驗參數設計

根據30201 綜采工作面膠運順槽以往頂板懸頂情況，初步確定本次水力壓裂施工的范圍為30201工作面膠運順槽23 聯巷～19 聯巷300 m 以內。

4.1 水壓預裂高度和寬度的確定

30201 綜采工作面覆巖類型為中硬～堅硬型，煤層傾角0.3°。根據《“三下”采煤規程》垮落帶發育高度可采用以下計算公式[3]：

式中：Hk為垮落帶高度，m；∑M為采煤厚度，30201 工作面采高7.5 m。

根據杭來灣煤礦開采條件可知，其垮落帶高度Hk為21.12～26.12 m， 結 合ZK115、SZK125、SZK135、SZK145 四個鉆孔柱狀圖，垮落帶范圍內完整巖層距離巷道頂板的高度分別為24.67 m、17.41 m、24.83 m 和21.16 m。結合垮落帶發育高度計算結果及四個鉆孔柱狀圖數據，初步確定水力壓裂處理高度為25 m。

根據302 盤區大采高綜采工作面每月基本出現6～8 次端頭三角區大面積懸頂現象，最大懸頂走向長度40 m、傾向長度20 m，初步確定本次30201工作面端頭處理范圍為工作面傾向 0～20 m內頂板。

4.2 水壓預裂孔參數

為保證工作面端頭頂板及時垮落，避免頂板大面積懸頂垮落對工作面安全生產的影響，在工作面側幫和巷道頂板布置壓裂鉆孔。設定預裂區域、鉆孔方位、預裂參數等，促使采空區頂板冒落，削弱采空區頂板完整性，降低采空區懸頂[4]。設計參數和布置方式如表1、圖1。

圖1 30201 膠運順槽水力壓裂鉆孔布置圖（m）

表1 鉆孔參數表

根據初步確定的施工范圍，合計施工30 個J 孔、15 個L 孔、15 個S 孔，施工鉆孔總進尺為30 個×39 m/ 個（J 孔）+15 個×45 m/ 個（L 孔）+15個×33 m/個（S 孔）=2340 m。

5 施工工藝和設備組成

5.1 鉆孔施工

采用液壓坑道鉆機配合KZ54 型切槽鉆頭施工鉆孔，鉆孔直徑56 mm。KZ54 型切槽鉆頭外徑為54 mm，切槽位置半徑為112 mm（鉆孔半徑的2 倍），橫向切槽形狀如圖2，其作用是實現可靠封孔。

圖2 橫向切槽形狀示意圖

5.2 頂板水力壓裂施工工藝

5.2.1 封孔工藝

采用跨式膨脹型封孔器進行封孔（如圖3）。該封孔器放入鉆孔橫向切槽段，采用高壓手動泵輸送封孔介質（30201 工作面選用高壓水），實現封孔。封孔需注意進行打壓試驗，手動泵打壓10 MPa并穩壓5 min 以上，以達到預定的封孔效果[5-8]。封孔系統的安裝與連接如圖4。

圖3 跨式膨脹型封孔器封孔原理圖

圖4 封孔系統連接示意圖

5.2.2 高壓水力壓裂工藝

高壓水力壓裂采用3ZSB80/62-90 型高壓水泵，該水泵注水壓力可達80 MPa，流量為60 L/min，電機功率為90 kW。

壓裂鉆孔J、L、S 長分別為39 m、45 m、33 m，壓裂鉆孔淺部（6 m 范圍以內）不壓裂，以保護巷道錨索支護結構。剩余段每隔3 m 壓裂一次，壓裂鉆孔J、L、S 的壓裂次數分別為11 次、13 次、9 次，每次注水壓裂時間30 min，注水量62 L/min。

6 實施效果

經現場鉆孔窺視、工程現場驗證表明，水壓預裂技術實現了30201 工作面堅硬頂板有序周期性垮落，有效避免了大面積懸頂的集中垮落導致的安全風險[9]。

6.1 鉆孔窺視切割效果

圖5 為鉆孔窺視儀視頻截圖。根據鉆孔窺視圖可知，水壓預裂切縫效果明顯，在鉆孔內切開了2條對稱的定向裂隙，裂隙清晰可見，孔壁附近可見裂隙深度200～300 mm。部分頂板巖層較堅硬，可見切割深度在100～200 mm。

圖5 鉆孔窺視效果

6.2 相鄰鉆孔漏水觀察

現場施工過程中，常見從鄰孔出現漏水現象，這一現象表明切縫造成了裂隙發育，相鄰鉆孔的裂隙相互貫通，達到了切斷頂板的要求。

6.3 現場端頭懸板情況

未實施水力預裂技術的工作面端頭懸板面積較大且垮落不及時，易引發瓦斯積聚、頂板大面積垮落等問題。實施水力切頂預裂技術后的端頭懸板及時有序垮落，采空區后幾乎沒有懸頂，有效避免了端頭部位大面積懸頂安全隱患。

6.4 巷道圍巖控制情況

未實施水力切頂前，由于采空區頂板垮落不充分以及堅硬頂板造成的壓力，巷道超前段存在變形現象，并存在超前單體柱插底現象，部分巷道變形量較大。

實施水力切頂后，由于端頭懸頂垮落及時，超前支承壓力影響減小，巷道變形得到有效緩解，超前單體柱壓力減小，回柱工作比原來更為順利，工作效率提高[10-12]。巷道使用斷面得到了有效保證，超前段通風、行人更加通暢，對于工作面正常生產提供了有利的保障。

7 結論

水壓預裂技術的應用可實現30201 工作面堅硬頂板有序周期性垮落，有效避免了大面積集中垮落形成的颶風風險。鉆孔窺視可見清晰定向裂隙，相鄰鉆孔的裂隙相互貫通，頂板切斷較為徹底，現場端頭懸頂及時有序垮落，同時解決了大面積懸頂引發巷道變形問題。