综采工作面水力压裂顶板控制技术研究

刘丽俊

(山西石港煤业有限责任公司，山西 晋中 032600)

引言

在煤矿开采中，通常采用全部垮落法管理工作面采空区顶板，我国大部分煤矿采空区顶板无法随工作面推进及时垮落，如岩石强度高、节理裂隙不发育、厚度大、整体性强、自承能力强等顶板岩层，煤层开采后大面积悬露在采空区，短期内不垮落。一旦垮落，一次垮落的面积和高度大，有强烈的来压现象。并且，此类顶板的初次来压步距往往较大，可达40～70m，甚至上百米，来压时有明显的动力现象，常常造成支护设备损坏，危及人身安全等恶性事故。

1 1307工作面顶板水力压裂试验

1.1 11307工作面概况

1307工作面开切眼处在1307工作面的最南头，它的北面是1307工作面，南面是西沙建筑楼房保护煤柱，开掘四围是实煤区，没有采空区。煤层底板标高是+820.3m，东面高西面低，煤层埋深340.8～357.05m。开切眼预计长300m，宽8m，开切眼内设置了1号和2号调车硐室，倒车硐室长12m，宽5m，开切眼和调车硐室的总长是324m。结合1307工作面回风巷煤层揭露与钻孔ZK303、ZK305的相关数据进行探究，发现煤层的平均厚度是3.3m。煤层的整体相对平稳，结构简易没有夹矸现象。

1.2 1307工作面水利压裂设计原则

水力压裂技术能够很好地掌控工作面顶板初次垮落，有效地降低了顶板的完整程度，促使工作面顶板出现分层并迅速垮落。水力压裂技术不但能够很好地掌控顶板，而且还不会对工作面的正常回采产生不利因素，可以有效防止因为超过限度地压裂与软化给工作面顶板保护造成影响，杜绝因为水力压裂对顶板管理产生影响以及所有相关的危害。

1.3 1307工作面水力压裂钻孔布置

因为1307工作面的基本顶厚度很大，完整性强并且相对稳定，因此首次垮落必须采用强硬手段来实施。笔者结合1307工作面的地质状况和水力压裂理论的探究结论，把1307工作面难垮顶板水力压裂初次放顶加以改进。在开切眼与巷道各设置压裂钻孔L与压裂钻孔S，在巷道各设置2个A孔，设置情况见图1a。钻孔进尺总计:726m(22个S孔)+595m(17个L孔)+188m(4个A孔)=1509m。钻孔参数:压裂钻孔L，钻孔长度是35m，倾角是25°，见图1b;压裂钻孔S，钻孔长度是33m，倾角是40°，见图1c;压裂钻孔A，钻孔长度47m，倾角是20°，见图1d。

参考水泵电动机功率是90kW，将高压水泵通电;水泵进水口连接静压水，出水口连接高压胶管，高压胶管的另外一头和注水钢管连起来，具体为:高压胶管和水泵出水口采用A型扣压连接方法，和注水钢管采用快速连接方法，连接处“O”圈封闭;检测每个连接部位，无失误就给高压水泵先通水再接电，调节正反转，观察水泵能否顺利运转。

当安装、连接和调试的工作完毕之后，把注水钢管连起来，然后把封孔器传送到设定的地点(预裂缝处)。手动泵加压封孔器，监管钻孔和压力表，检测封孔器是否能够保持压力，如果发现钻孔里面流出水来或者出现压力降低的情况，就表示封孔失去作用，此时应该检测封孔器的每个连接点和封孔器自身，及时发现问题并进行处理，保证封孔器的有效性。在离压裂孔50m的地方设置警戒，测试阶段除了作业人员以外其他人员不能入内，操作人员和作业设施到压裂孔的距离也要保持在20m以外，并且要呆在支护稳固的区域。将高压水泵先通水再接电，再逐渐加大压力，并且随时记下水泵压力表和手动泵压力表的数值，持续加大压力一直到预裂缝出现开裂，这个时候压力会马上降低，保持压力进行注水促进裂纹持续扩大，并且还能使顶板不再坚硬。当4个监测孔都涌出大量的水的时候，不再加大压力，压裂完成。高压水泵先断电再停水，将封孔器释放压力之后退出钻孔，运用窥视仪监测压裂情况。

图1 1307工作面水力压裂钻孔布置

2 试验效果分析

2.1工作面顶板垮落情况

2017年3月20日上午工作面机头推采到11m，机尾推采到7m的时候，30—130号支架顶板垮落；3月20日下午工作面机头推采到12.6m，机尾推采到8.6m的时候，3—29号、131—174号支架顶板垮落。3月21日，机头推采到20.4m，机尾推采到12.8m的时候，工作面两边的顶板垮落，采空区的顶板全都垮落。1307工作面水力压裂顶板垮落状况如表1所示。

表1 1307工作面水力压裂顶板垮落情况统计

2.2 工作面基本顶来压分析

工作面初采初放阶段每9个支架选择一个位置开展压力记录工作，详细记录情况：2017年3月23日工作面机头推采38.6m，机尾推采32m的时候，工作面10—22号支架基本顶发生来压情况，支架压力表的最大数值为38MPa，煤壁发生片帮，片帮深度不超过100mm，支架前方出现漏矸情况，部分支架的安全阀打开。

3月24日机头推采到48.4m，机尾推采到38.2m的时候，工作面25—33号、62—84号、124—137号支架基本顶来压，支架压力表的最大值是39MPa，煤壁发生片帮情况，片帮深度80～150mm，支架前方出现漏矸，部分支架的安全阀打开，工作面中部顶板发生淋水情况。

3月25日机头推采到56.6m，机尾推采到50.8m的时候，工作面139号—173号支架基本顶来压，支架压力表的最大值是38MP，煤壁发生片帮，片帮深度不超过100mm，支架前方出现漏矸情况，部分支架的安全阀打开。

2.3 工作面初次来压步距情况

经过监测1307综采工作面初采初放阶段顶板的压力状况，明确基本顶初次来压步距最小是35.3m，最大是53.7m，平均44.5m。该次1307综采工作面采用水力压力破坏基本顶的整体程度，跟预裂爆破强制放顶比较而言，基本顶初次来压步距缩小8m左右，同时来压期间来压强度比较弱，能够杜绝爆破造成的安全隐患，确保工作面初采初放的安全性。

结束语

1)水力压裂能促使顶板岩层加快垮落，打破围岩的整体结构，减弱岩体的强硬程度，实现直接顶与基本顶的迅速垮落，达成掌控初垮的目标。

2)基本顶初次来压步距最小是35.3m，最大是53.7m，平均44.5m。跟预裂爆破强制放顶比较而言，1307工作面基本顶初次来压步距缩小8m左右，同时因为来压期间来压强度相对较弱，能够杜绝爆破造成的安全隐患，确保证工作面初采初放的安全性。

3)基于本矿的实践经验，水力压裂控制顶板技术具有工程量小、安全性高、施工速度快和控顶效果好等特点，能够有效解决综采工作面坚硬顶板基本顶初次垮落步距大、支架压力大等问题，可实现矿井安全高效开采。