水力压裂技术在采面顶板管理中的应用

杜国凯

（山西焦煤汾西矿业（集团）双柳煤矿，山西 柳林 033300）

0 引言

井工开采是煤炭主要开采方式，其中开采煤层中超过1/3 的顶板为坚硬顶板。当回采煤层为厚度大、完整性好、难以垮落顶板时，导致采空区悬空面积偏大，矿压显现及瓦斯涌出等异常[1-3]。采用顶板弱化技术对坚硬顶板进行处理，可降低顶板完整性及强度，实现随采随垮、降低采空区悬顶面积效果，现阶段常用的顶板弱化技术包括有深孔预裂爆破、水力压裂、CO2致裂等，现场均有较好的应用效果[4-6]。水力压裂通过注水钻孔、高压泵及注水管路等向坚硬顶板注入高压水，压裂期间不会产生有害气体或者导致CO2超限等问题，在施工便捷性、安全性等优势较为显著[7-9]。文中就以山西某矿151305 综采工作面回采为背景，通过采用水力压裂技术对回采的15#煤层坚硬顶板进行弱化处理，有效降低了顶板悬空面积以及采面矿压显现，为煤炭安全高效开采创造良好条件。

1 工程概况

山西某矿151305 综采工作面回采的15#煤层厚度1.79～2.45 m（平均2.24 m），埋深357 m，与上覆9#煤层间距在65～80 m 间。15#煤层赋存较为稳定，含0～4 层夹矸，夹矸厚度累积0.3～0.75 m。15#煤层底板多为泥岩，少数为粉砂岩；顶板为K2 石灰岩，局部为薄层黑色泥岩。

15#煤顶板直接顶为致密坚硬的石灰岩，厚层稳定，强度68～112 MPa，属于坚硬顶板。

151305 综采工作面切眼斜长175 m、推进长度1 560 m，开采时初次来压步距25～30 m、周期来压布距23～30 m；采面回采后顶板冒落带、裂隙带发育高度分别为5.6～8.9 m、24.5～32.5 m。采面回采期间，采空区顶板悬空面积过大，不仅增加回风隅角瓦斯涌出量，而且导致液压支架矿压显现异常、采面巷道变形量大。因此，提出用水力压裂技术弱化顶板，以便提高采面顶板管理质量。

2 水力压力技术应用

2.1 水力压裂布置

2.1.1 采面钻孔布置

采面水力压裂钻孔布置，如图1 所示。钻孔用直径56 mm 钻头施工。钻孔有两种类型，分别为压裂钻孔-S'，（孔深25m、仰角45°）、压裂钻孔-L'（孔深33 m、仰角30°），压裂钻孔间距10 m。采面水力压裂时先钻进、压裂L'钻孔，后钻进、压裂S'钻孔。

图1 采面内水力压裂钻孔布置示意图

2.1.2 顺槽钻孔布置

顺槽内水力压裂钻孔布置，如图2 所示。钻孔均用56 mm 钻头钻进，顺槽内水力压力钻孔分为压裂钻孔-H（孔深25 m、仰角45°）、压裂钻孔-S（孔深18 m、仰角45°）、压裂钻孔-L（孔深35 m、仰角30°）。顺槽内钻孔间隔设计为10 m，当顶板岩层可及时垮落时可将压裂钻孔-H 间距调整为15 m。具体钻孔钻进、压裂顺序为：先钻进、压裂钻孔-L，其次钻进、压裂钻孔-S，最后钻进、压裂钻孔-H。

图2 顺槽水力压裂钻孔布置

2.2 压裂钻孔打设及开槽

1）钻孔采用ZDY 钻机、配合专用钻头在15#煤层上覆石灰岩、粉砂岩等坚硬岩层中钻进，钻头直径为56 mm，钻孔施工参数按照设计参数进行。

2）完成钻孔施工后，采用钻孔窥视仪探测围岩裂隙扩展、结构等情况，并根据窥视结果决定横向开槽位置，开槽用KZ54 特殊钻头，在制定位置通过开槽钻头形成超过孔径一倍的楔形槽。

3）开槽应选择坚硬顶板位置，当钻头位于钻孔底部时适当降低钻进速度，当钻进至底部时适当回退钻杆并施加5 MPa 压力缓慢推进，使得开槽钻头缓慢张开，避免钻头受到较大冲击力作用。

4）钻孔开槽时应密切关注钻孔出水情况，开槽完成后撤回开槽钻头，换普通钻头继续钻进至下一开槽位置，如此反复直至水力压裂钻孔施工完成。

5）水力压裂钻孔、开槽等工作全部完成后，用静压水反复冲洗钻孔。

6）在钻孔钻进时应适当降低钻机给进压力、给进速度，确保钻孔直线度，便于后续封隔器推入。

水力压裂施工主要涉及钻孔钻进、开槽、钻孔封孔以及高压水压裂等环节，具体采面坚硬顶板水力压裂使用的主要设备，如表1 所示。

表1 主要施工机具

3 现场应用效果分析

工作面液压支架后方采空区最大悬顶长度监测数据，如表2 所示。从监测结果看出，在水力压裂区内回采时采空区顶板悬空面积最大为4 m×4 m，悬空面积整体较小，采空区顶板基本实现随采随垮，有效解决了采空区顶板悬空面积过大引起的矿压显现异常、瓦斯涌出量大等问题。具体在水力压裂区域内推进时，水力压裂在坚硬顶板弱化处理中取得较为显著成果。

表2 工作面支架后方悬顶长度监测数据

4 结语

采用水力压裂技术对151305 综采工作面坚硬顶板进行弱化，降低顶板稳定性、实现即时垮落。依据采面现场情况在采面内、回采巷道内布置水力压裂钻孔，对上覆坚硬的石灰岩进行弱化，并对钻孔布置方案进行设计。现场应用后，采面坚硬顶板强度明显降低，采空区顶板最大悬空面积由10 m×6 m 缩小至4 m×4 m 以内，采空区顶板可及时垮落。水力压裂技术在151305 综采工作面取得较为显著的应用成果，采面矿压显现程度有所降低，便于顶板管理。