工作面上方厚坚硬顶板水力弱化技术实践

卢少帅，雷 皓，雷鹏翔，向海军

(陕西陕北矿业韩家湾煤炭有限公司，陕西 榆林 719315)

0 引言

韩家湾煤矿213108工作面位于3-1煤层一盘区东部，上部为未采动区。其北部为213107工作面采空区，西部为3-1煤层一盘区回风巷东部，南部为设计的213109工作面，东部为石圪台煤矿井田边界。该工作面宽度为262 m，可采长度为2 488 m。地表总体东高西低，全部被风积沙覆盖，属较平坦的沙丘地形。标高范围+1 288～+1 336 m。213108综采工作面回采区域为3-1煤层，煤厚2.3～2.9 m，平均煤厚2.7 m，回采区域无断层及较大的褶皱，亦无岩浆岩活动，地层产状平缓，倾角约1.5°。工作面在回采过程中局部可能会出现河流冲刷、沉积充填等现象，导致工作面内顶板比较破碎。

1 顶板等级划分及切顶高度计算

韩家湾煤矿213108工作面采高为2.7 m，基本顶为厚度15.4 m的细粒砂岩和粉砂岩。基本顶初次垮落步距按式(1)[1-3]计算

(1)

式中，h为基本顶厚度，m；Rt为基本顶抗拉强度，MPa；q为基本顶受到的垂直应力载荷，MPa。

基本顶自身重力引起的载荷q1=γ1×h1=24.5×15.4=377.3 kPa，计算可得上部第2层岩层对基本顶的载荷为206 kPa，可知顶板第2层岩层对基本顶基本无载荷，则可确定基本顶所受载荷q=q1=377.3 kPa。结合弹性理论[4-8]、213108工作面顶板条件及计算结果，可得213108综采工作面初采初放水力压裂压力约为22 MPa。

213108工作面上覆岩层主要岩性为细砂岩和细粒砂岩，单层厚度大。根据3-1煤层平均厚度为2.7 m，结合上覆岩层分层特性，最大预裂高度控制在27 m左右，在具体水力压裂过程中可以有针对性地进行预裂，以达到更好的压裂效果。冒落带高度按式(2)[9-10]计算

(2)

式中，M为采高，m；β为工作面倾角，(°)；KP为顶板岩层碎胀系数。

213108工作面采高2.7 m，倾角约为3°，顶板岩层主要为坚硬的细粒砂岩，碎胀系数取1.3，因此计算得到冒落带高度为27 m，预裂垂直高度应不小于27 m。213108工作面上方均厚15.4 m细粒砂岩、粉砂岩、泥岩交互岩层既为直接顶也为基本顶，为采场顶板弱化的主要对象。

2 顶板水力压裂弱化方案

2.1 预期压裂效果

要想达到压裂效果，静水压力应不小于岩石的单轴饱和抗压强度，即不小于14.0 MPa；同时由于压裂岩石为三向受压状态，故静水压裂需要适当加大，最大压力选择40 MPa，与其他矿井的水力压裂经验基本一致。为保证压裂效果，钻孔采用高位钻孔与低位钻孔及中位钻孔组合布置的形式，这样布置既可以保证压裂效果，又不会使顶板过早的垮落，通过前述计算，结合韩家湾煤矿岩层强度，高位孔(H孔)间距选择20 m，低位孔(L孔)间距也选择20 m，2类孔组合使用，即高位孔和地位孔间距为10 m，因为压裂不在同一高度，故可以保证压裂效果。

2.2 水力压裂弱化方案

在切眼、两顺槽布置19个高位压裂钻孔-H(H1～H19)、15个低位压裂钻孔-L(L1～L15)和8个中位压裂钻孔-C(C1～C8)，钻孔H、L、C交替垂直煤壁布置在切眼及两顺槽；在两顺槽布置4个反向压裂钻孔-F(F1～F4)、4个中位孔-C(C9～C12)，4个低位压裂孔-L(L16～L19)，钻孔布置如图1所示。

图1 水力压裂钻孔平面布置

切眼内钻孔均垂直于煤壁布置。高位压裂钻孔-H，钻孔长度40 m，倾角45°；低位压裂钻孔-L，钻孔长度45 m，倾角22°；中位压裂钻孔-C，钻孔长度42 m，倾角32°；L16～L19、C9～C12与巷道夹角90°。L16、L18距切眼煤壁10 m；L17、L19距切眼煤壁30 m；C9、C11距切眼煤壁20 m；C10、C12距切眼煤壁40 m；反向压裂钻孔F1～F4与巷道轴向的夹角为20°，F1、F3距切眼煤壁40 m；反向压裂钻孔F2、F4距切眼煤壁50 m；钻孔H开口位置距离底板2.8 m处，钻孔C开口位置距离底板2.8 m处，钻孔L开口位置距离底板2.5 m处，钻孔F开口位置距离底板2.5 m处。切眼H、L、C钻孔空间位置如图2所示，顺槽内反向压裂孔F空间位置如图3所示。压裂钻孔-H，钻孔长度40 m，倾角为45°；压裂钻孔-L，钻孔长度45 m，倾角为22°；压裂钻孔-C，钻孔长度42 m，倾角为32°。压裂钻孔-F，钻孔长度45 m，倾角为22°。

图2 钻孔 H、L、C相对位置示意

图3 钻孔F位置剖面

3 水力压裂弱化结果分析

3.1 水力压裂弱化结果

通过213108工作面回采期间液压支架阻力变化，确定水力压裂采场顶板岩层的弱化效果，将工作面分为上部、中部、下部3个监测区域，监测、记录液压支架的工作阻力变化，整理可得进行水力压裂的213108工作面和未进行水力压裂的213102工作面支架工作阻力的变化规律。图4为 213102工作面液压支架工作阻力变化规律。3个测区液压支架工作阻力的首个峰值出现在工作面推进约85 m时，工作面继续推进160 m，液压支架工作阻力又出现3个峰值，峰值间工作面推进平均距离为25 m。由此可知，未进行水力压裂的213102工作面基本顶初次来压步距为85 m，周期来压步距约为18 m，支架工作阻力峰值平均为11 500 kN。

图4 213102未水力压裂弱化支架阻力曲线

图5为213108工作面液压支架工作阻力变化规律。首个峰值出现在工作面推进70 m后，各峰值间平均距离约20 m。可知基本顶初次来压步距为70 m，周期来压步距为12～14 m，峰值平均值为10 000 kN。由此说明，采用水力压裂技术对顶板进行弱化后，基本顶的初次来压和周期来压步距均明显减小，来压强度同样显著减弱，能够减小采场顶板悬露面积，有效防止大面积来压引发的安全事故。

图5 213108水力压裂弱化支架阻力曲线

3.2 结果分析

通过对水压致裂弱化后的213108工作面支架阻力和前期未经过弱化的213102工作面支架阻力变化对比。分析水压致裂弱化和未弱化矿压规律可知，水压致裂弱化后工作面支架阻力平均较未弱化阻力减小20%～25%，初次来压步距较未弱化减少15～20 m，周期来压步距减小5～8 m。经过水压致裂弱化后的顶板未出现工作面局部压架及顶板动载现象，而在未进行顶板弱化的213102工作面出现局部的动载现象，所以水压致裂弱化后的基本顶初次来压和周期来压步距均明显减小，来压强度同样显著减弱，能够减小采场顶板悬露面积，有效防止大面积来压引发的安全事故，有效地解决了工作面安全生产难题。

4 结论

(1)水压致裂弱化后工作面支架阻力值较未弱化减小20%～25%，初次来压步距较未弱化减少15～20 m，周期来压步距减小5～8 m。

(2)采用高、中、低位3种钻孔特殊的联合布置形式，极大地提高了工作面顶板水压致裂弱化效果，简化了施工程序并且大大提升了矿井经济效益。

(3)经过水压致裂弱化后的顶板未出现工作面局部压架及顶板动载现象，减少了采场顶板悬露面积，杜绝了工作面顶板灾害的发生。