坚硬顶板综放工作面水力压裂初次放顶技术研究

姚俊彪 张大明 李 刚

（1.山西河曲晋神磁窑沟煤业有限公司，山西 河曲 036500；2.辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁 阜新 123000）

全部垮落法管理采空区顶板时，如顶板岩性比较坚硬且厚度大，煤层开采后，采空区顶板将会形成大面积悬顶，初次来压步距可达40～80 m，甚至上百米[1]，顶板来压时会对支护设备和人员造成破坏事故。山西晋神磁窑沟煤业13102 工作面煤层顶板坚硬，初次来压前采空区悬顶距离长，13102 切眼开展了水力压裂顶板弱化研究，得出有价值的工艺参数，为类似条件下切眼初次放顶工程提供借鉴。

1 概况

13102 综采工作面所采煤层为13#煤层，位于二水平一盘区，工作面标高为+886～ +928 m，埋藏深度110.0～188.2 m。直接顶厚为2.99～3.53 m，岩性为泥岩和砂质泥岩。基本顶厚为10.57～23.32 m，岩性为细粒砂岩、中粒砂岩、粗粒砂岩，岩性致密坚硬。回风顺槽长1721 m，运输顺槽长1721 m，切眼长240 m。工作面东部为13103工作面（未形成），以东为13 号煤层未开采的实体煤；南部为山西华鹿阳坡泉煤矿；西部为13101 综放工作面（已回采）；北部为131盘区辅助运输大巷、胶带大巷、回风大巷。

2 切眼水压致裂方案

2.1 钻孔布置

水压致裂施工钻孔布置位置分别在运输顺槽、切眼及回风顺槽，共41 个钻孔，其中在切眼回采侧布置压裂钻孔L（14 个），钻孔S（13 个），钻孔J（4 个）；进风顺槽布置钻孔S（3 个) ，钻孔A（2 个）；回风顺槽布置钻孔S（3 个），钻孔A（2个）。具体方案如图1，水力压裂钻孔参数见表1。

表1 水压致裂钻孔布置

图1 水力压裂钻孔布置平面图（m）

2.2 压裂孔封孔

将橡胶封孔器推至预裂缝处，开泵加压后，具有自平衡结构的封孔器橡胶管发生膨胀，紧紧撑紧孔壁，封孔压力为12～16 MPa，试压时加压到2～5 MPa 检查密封情况。水流在高压作用下使煤岩预裂缝不断起裂并扩展，使顶板分层弱化[2]。

2.3 高压水压裂

高压水压裂通过高压胶管、注水钢管、压裂钢管进行煤岩预裂。为使切眼段顶板处于可控状态，初期预裂参数较为保守[3]，单孔预裂7～11 次，每段压裂3 m，孔底1 m 不压裂，自孔底每3 m 一段向孔口方向压裂。人员依据压力变化情况判断每段预裂时间，通常不低于16 min[4]。25～30 MPa 为单个钻孔最大起裂压力范围，当钻孔压力低于10 MPa 或巷道顶板出现涌水加大时，立即停止注水工作。

2.4 施工准备

施工选用ZDY2300LPS 大型履带式钻机，质量为4.5 t。注水高压泵型号HSA9032A-95/60Y，功率90 kW，流量5.7 m³/h，额定压力60 MPa，能够充分满足水力压裂时的压力要求。供排水准备：供水压力不小于1 MPa，压力不足时设置增压泵[5]。Φ108 mm 管路布置于运输顺槽，连接方式为KJ25。

3 压裂过程中压力变化监测与分析

压裂阶段为2021 年5 月16 日至2021 年6 月3日，历时18 d。为了能够更加准确地获取压裂时压裂部位压力变化的数据，采用KJ327 水力压裂水压监测系统对压裂过程中的压力变化进行监测。选取5 月28 日—5 月31 日期间钻孔水力压裂的压力变化进行分析，如图2。

图2 钻孔水压监测系统图

5 月28 日—5 月31 日四天共压裂钻孔10 个，依 次 为L11、S10、L10、S9、L9、S8、L8、J4、S7、J3 钻孔，对各钻孔水压监测系统图进行分析，可以得出以下结论。

（1）总的压裂次数基本保持在8～12 次，钻孔的最大压力均值26.68 MPa。排除5 月27 日、5 月30 日两天受水压不稳、断水等原因影响的L11、S10、L8、S8 四个钻孔，其他钻孔的最大压力均值为29.1 MPa，表明在水压及供水正常情况下，钻孔起裂压力较高。

（2）初始压裂时，即封孔器处在孔底K2 石灰岩层中时，起裂压力最大，最大可达32.2 MPa。

（3）随着压裂时逐步退出注水杆，压裂的层位：含砾粗砂岩→细砂岩→中粒砂岩，随着岩层逐渐变软，起裂压力逐步降低。

（4）13102 切眼起裂最大压力达34 MPa（A2钻孔），由于顶板主要为含砾粗砂岩和中粒砂岩，顶板较坚硬，起裂压力明显较高，表明采用水力压裂工艺治理石灰岩坚硬顶板依然有效。

4 定向水压致裂效果分析

为了解水压致裂对顶板的预裂效果及超前水压致裂对巷道顶板的破坏情况，对工作面顶板垮落情况、顶板裂隙发育钻孔窥视观测结果进行分析[6]。

4.1 工作面顶板垮落情况分析

在施工期间对13101 切眼和13102 切眼的支架压力变化及回风顺槽超前支架前面顶板变形量进行现场观测，13102 工作面与15201 工作面初次来压步距对比情况见表2。对比13101 工作面初次来压步距可知，采用水力压裂处理切眼及超前顶板后，13102 工作面初次来压步距明显缩短，直接顶垮落步距由14 m 缩短至10.5 m，降幅达3.5 m，基本顶垮落步距由80 m 降至56 m，降幅达24 m，表明切眼水力压裂切顶效果明显，安全风险大大降低。

表2 工作面初次来压步距对比表 m

4.2 钻孔窥视顶板裂隙发育特征研究

项目组于6 月2 日对水压致裂前后顶板钻孔的裂隙发育规律进行了钻孔窥视试验，试验结果如图3～图5。通过对L10 各压裂点的孔深和综合柱状图分析计算，钻孔16.4 m、21.1 m、32.3 m 和37.2 m均处在中粒砂岩层位。

图3 L10 钻孔水压致裂前后钻孔裂隙发育情况

图4 S8 钻孔水压致裂前后钻孔裂隙发育情况

图5 L3 钻孔水压致裂前后钻孔裂隙发育情况

由图3～图5 可知，L10、S8、L3 三个钻孔主要以中粒砂岩、细砂岩、含砾粗砂岩为主。分析各钻孔孔深和综合柱状图可知，图3（a）、（b）、（c）和（d）处在中粒砂岩层位，图4（a）和4（b）处在中粒砂岩层位，4（c）处在细砂岩层位，4（d）处在含砾粗砂岩层位，图5（a）、5（b）、5（c）和5（d）均处在中粒砂岩层位。

由窥视结果可以看出，压裂之前，中粒砂岩、细砂岩和含砾粗砂岩均匀密实，无裂隙；致裂后，原钻孔裂隙发生明显的扩展，并有大量新生裂隙产生。表明水力压裂确实能够有效破坏顶板完整性，有利于顶板的及时垮落。

5 结语

为避免13102 工作面开采后顶板大面积悬顶，采用了水力压裂技术对切眼处顶板进行初次切顶卸压，对施工钻孔布置方式、水压致裂相关参数、施工准备等进行了设计。通过监测钻孔压裂过程中的压力变化，总的压裂次数基本保持在8～12 次，钻孔的最大压力均值26.68 MPa，最大起裂压力达34 MPa。通过13102 工作面与类似条件工作面初次来压步距对比和钻孔窥视顶板裂隙发育特征，表明采用水力压裂工艺治理石灰岩坚硬顶板依然有效。