鐵新煤業堅硬厚層K2 灰巖頂板強制放頂技術研究

杜偉

（山西保利鐵新煤業有限公司，山西 晉中 031302）

1 概 況

山西保利鐵新煤業有限公司（井田）隸屬于中煤華利能源控股有限公司，由原靈石縣兩渡鎮鐵新煤業有限公司和部分空白區組合而成，生產規模為120 萬t/a，開采2 號、9 號煤層。鐵新煤業9 號煤工作面頂板為K2灰巖，厚度6～11 m，普氏系數9～11，工作面在正常回采過程中采空區頂板不易垮落，導致巷道圍巖出現不同程度的變形與破壞，工作面兩端頭區域易形成弧三角大面積懸頂（圖1）和瓦斯積聚，嚴重影響煤礦安全生產，需開展堅硬厚層K2灰巖頂板強制放頂技術研究。

圖1 完整堅硬頂板及支架后方懸頂Fig.1 Complete hard roof and the hanging roof behind the support

2 工作面情況

鐵新煤業9 號煤層9226 工作面埋深約355～467 m，工作面間煤柱寬度為20 m，工作面巷道軸線方向基本沿著煤層傾向布置。目前工作面距離停采線300 m 左右。煤層傾角1°～9°，傾角平均5°，煤厚1.20～1.40 m，平均厚度1.29 m，該面煤層穩定、煤層厚度變化不大。目前鐵新煤業礦井在2 號煤層布置有三采區2301 運輸巷、材料巷綜掘工作面和2203 綜采工作面，在9 號煤層二采區布置有9226 綜采工作面和9228 材料巷綜掘工作面，采掘比為2∶3。9226 回采工作面長度為150 m，采高為1.5 m。9226 工作面布置如圖2 所示，頂、底板地層柱狀簡圖如圖3 所示。

圖2 9226 工作面布置Fig.2 No.9226 Face layout

圖3 9226 工作面頂、底板地層柱狀簡圖Fig.3 No.9226 Face roof and floor strata columnar sketch map

3 強制放頂研究

3.1 堅硬厚層K2 灰巖頂板小孔徑預裂技術

井下水力壓裂具有施工空間有限、裂縫范圍窄、壓裂間距小等特點，因其壓裂密度高，相同體積巖體壓裂所需成本更高。井下壓裂一般使用大型鉆機施工鉆孔，鉆孔孔徑往往在65 mm 以上。9 號煤層巷道高度為2 300 mm，回采期間巷道內膠帶輸送機等占用一定巷道空間，受空間限制，采用傳統大孔徑專用鉆機打孔非常困難；錨索鉆機體積較小，運輸方便，施工組織靈活，但9 號煤層K2灰巖頂板堅硬，錨索鉆機扭矩較小，打設大直徑鉆孔較為困難。因此，為保證生產的安全高效進行，需對大孔徑剛性管路水力壓裂技術進行改進，提出了小孔徑水壓預裂技術。

小孔徑水壓預裂技術預裂鉆孔直徑為50 mm，先用錨索鉆機打設28 mm 先導鉆孔，在小鉆孔基礎上套取50 mm 預裂鉆孔，2 臺錨索鉆機平行施工鉆孔，正常施工進度為每天1 孔，能夠跟進工作面推進速度，滿足生產要求。為保障頂板安全，防止頂板突然超前垮落，預裂施工在超前支護段開展。

3.2 小孔徑預裂參數設計

3.2.1 致裂高度與層位

根據巷道的斷面尺寸和支護條件，端頭懸頂的預裂對象主要為中低位巖層，即通過人造裂隙預裂完整堅硬的灰巖頂板，破壞頂板的完整性，促使巖層及時垮落，因此9226 工作面重點壓裂直接頂的K2灰巖層。具體的技術要求為：①端頭冒落的巖層厚度要超過巷道的高度；②水力壓裂要弱化堅硬灰巖頂板的完整性，并有利于其垮落；③中位巖層的壓裂促進下位巖層的冒落。確定水力壓裂頂板的高度應為：

式中：M 為巷道高度，m；Kp為碎脹系數。

鐵新煤業9226 工作面材料巷道高度為2.3 m，碎脹系數為1.20。根據計算，同時考慮巖層厚度變化，以及頂板垮落矸石充分填充采空區時的切頂高度為11.5 m，鐵新煤業9226 工作面材料巷切頂高度初步確定為12 m。

3.2.2 泵站壓力

煤巖體在水力壓裂過程中，高壓水作用于煤體使其產生破裂形成裂縫。根據《煤礦井下強制增滲工程設計規范》（NB/T 10850-2021），水力壓裂法泵站壓力計算公式為：

式中：P 為致裂水壓力，MPa；σH、σh分別為最大、小水平應力，MPa；σt為巖石抗拉強度，MPa；P0為孔隙水壓力，MPa。

鐵新煤業9226 工作面σH=11.8 MPa，σh=7.83 MPa，σt=10.2 MPa。按更高效壓裂考慮，P0取0，則計算致裂水壓力P 為21.89 MPa?？紤]到泵站工作時會出現泄漏、封孔不充分、泵壓穩定等情況，取泵壓工作系數為1.2，則此次致裂時所需的高壓泵額定工作泵壓Pe須滿足大于26.27 MPa。

3.2.3 鉆孔布置

9226 工作面材料巷端頭懸頂水力壓裂控制技術方案如圖4 所示。在9226 材料巷超前支護段施工鉆孔并壓裂。每隔6 m 布置一組鉆孔，鉆孔貼煤柱幫豎直向上施工，開孔位置距離煤幫0.2～0.4 m，深度為12 m，每個鉆孔壓裂2～4 段，兩段之間的間距平均為2～3 m，每段的壓裂時間控制在25～30 min?？紤]到封隔器的尺寸和損耗率，鉆孔直徑為50 mm，采用錨索鉆機帶動50 mm 的鉆頭施工。

圖4 9226 工作面材料巷端頭懸頂水力壓裂鉆孔布置Fig.4 Arrangement of hydraulic fracturing boreholes at the end of the material roadway in No.9226 Face

實施范圍為9226 工作面材料巷，長度為150 m，從工作面端頭向外預裂。預裂施工前需用鉆孔窺視儀查看鉆孔內部情況，確定壓裂地點，施工后也需進行鉆孔窺視，評估預裂效果。若頂板垮落步距達到預期，按試驗參數實施后續巷道；若不滿足，則降低鉆孔排距為5 m，試驗30 m，觀察預裂效果，直至確定合理參數。

4 預裂效果分析

4.1 鉆孔窺視分析

為評估預裂后頂板裂隙擴展效果，采用鉆孔窺視儀對頂板鉆孔進行窺視，鉆孔窺視儀和部分窺視截圖如圖5 所示。通過鉆孔窺視圖像可以看出，0～3 m 內頂板裂隙較少，堅硬的灰巖頂板較為完整；3～4 m 內頂板出現少量壓裂徑向裂隙；4～6 m 頂板較為完整；6～8 m 內出現壓裂徑向裂隙并有頂板離層現象，表明經水力壓裂后，頂板完整性遭到破壞，頂板強度降低，局部出現離層，有利于頂板及時垮落；8～10 m 頂板相對較為完整；10～12 m 頂板存在壓裂裂隙。單從頂板窺視來看，壓裂點附近均出現徑向裂隙，6～8 m 頂板出現離層，壓裂效果較為明顯。

圖5 頂板鉆孔窺視典型結果Fig.5 Typical results of roof borehole peeping

4.2 端頭懸頂觀測

壓裂施工后，對工作面后方端頭懸頂長度進行觀測，部分端頭懸頂如圖6 所示。現場觀測端頭頂板的垮落情況可知，壓裂后的端頭頂板，懸頂距離普遍減小，由壓裂前的懸頂距離10～30 m 減小為5 m 以內，端頭頂板隨采隨冒，冒落塊度均勻，充填密實，采后無空間，未出現隅角瓦斯超限現象，懸頂問題得到有效治理，實施效果顯著。

圖6 端頭懸頂垮落情況Fig.6 Suspended roof collapse at the end

5 結語

本文以鐵新煤業9 號煤層9226 工作面開采為背景，進行了堅硬厚層K2灰巖頂板定向預裂技術研究，針對鐵新煤業頂板堅硬和工作面空間限制，提出了小孔徑定向預裂施工設備與施工工藝。根據工作面圍巖地質條件，設計壓裂鉆孔深度12 m，泵站壓力不小于26.27 MPa，設計壓裂鉆孔布置參數，用預裂壓力、鉆孔窺視和工作面端頭懸頂長度來監測評價預裂控頂效果。通過現場監測，發現預裂壓力穩定，鉆孔內裂隙發育明顯，壓裂后的端頭頂板，懸頂距離普遍減小，由壓裂前的懸頂距離10～30 m 減小為5 m 以內，懸頂問題得到有效治理，預裂效果比較理想。