水力压裂在采煤工作面初次放顶中的应用

王 伟

（山西焦煤汾西矿业（集团）双柳煤矿，山西 柳林 033300）

现阶段国内井工开采矿井普遍采用全部垮落发管理顶板，但是当开采煤层顶板为完整性好、稳定性强以及厚度较大的坚硬顶板时，顶板无法实现随采随垮，往往导致采空区大面积悬空[1-3]。采空区悬空顶板不仅导致采面瓦斯涌出量增大、矿压显现异常而且当顶板突然垮落时会导出现剧烈动力冲击灾害，给煤炭正常开采带来显著影响[4]。众多的研究学者展开研究，其中薛德平[5]等针对坚硬顶板采空区悬空面积大问题，采用深孔预裂爆破方式进行放顶，实现了顶板弱化，降低采空区顶板悬空面积；齐学元[6]采用深孔注水方式对顶板进行控制，明显降低了顶板初次来压步距。深孔预裂爆破在操作时容易产生有害气体，同时爆破冲击较为显著，而水力压裂采用高压水弱化顶板，使用过程中不会产生有毒有害气体[7-9]。文中就以山西某矿3506 综放工作面回采为背景，提出将水力压裂技术应用到初次放顶中，以期达到改善采面环境、提高煤炭生产效率目的。

1 工程概况

3506 综放工作面回采的5#煤层埋深均值450 m，煤层厚度5.39 m，采高2.9 m、放煤高度2.49 m，采面设计推进1 205 m、斜长148.5 m。5#直接顶为中粗砂岩，厚度15.95 m，硬度8～12；基本顶为石灰岩，厚度12.35 m，硬度7～13，属于坚硬顶板。煤层底板为泥岩、砂质泥岩，厚度2.6 m。由于采面回采的5#煤层顶板坚硬，加之开采高度大，若采空区顶板悬空面积过大则会导致采面矿压显现异常、瓦斯涌出量增大等问题。为此，提出采用水力压裂技术对初次放顶进行弱化，实现采空区顶板及时垮落。

2 水力压裂技术应用

2.1 技术原理

当开采煤层顶板为坚硬岩层时，随着采面回采顶板由于厚度大、稳定、强度高，难以垮落，容易在采空区上覆形成较大面积的空顶区，随着回采不断推进采面区空顶面积不断增加，当悬空距离超过顶板极限跨度时，出现切断或者弯曲下沉破断形式；在破断时往往伴随瓦斯异常涌出、矿压异常显现、冒顶或者片帮等情况，影响煤炭正常生产。顶板初次垮落后，随着采面推进顶板周期垮落步距仍较大，形成悬臂梁结构，此时顶板结构较为稳定，顶板周期破断距离较长，破断时会产生较为明显的冲击动力现象。因此，为降低坚硬顶板影响，在采面切眼、回采巷道掘进完成后，可提前对上覆坚硬顶板进行弱化，达到控顶目的。

采用水力压裂技术对坚硬顶板进行处理，通过软化坚硬顶板达到弱化甚至消除坚硬顶板悬顶效应，减小顶板初次垮落、周期垮落步距。通过水力压裂技术对顶板进行弱化时，需提前施工水力压裂钻孔以便控制水力压裂范围、诱导水力压力方向；在水力压裂钻孔施工完成后，在钻孔内间隔10 m 进行横向切槽作业，以便更好的控制水力压裂裂隙扩展方向。通过提前对坚硬顶板进行弱化，当采面推进过弱化区后顶板可及时垮落至采空区内。

2.2 水力压裂方案及压裂流程

水力压裂地面位于3506 综放工作面，为降低压裂对切眼设备安装影响，将水力压裂钻孔布置在采面胶带顺槽、轨道顺槽内。临近的3504、3503 综放工作面回采期间，由于未对顶板进行处理，采面初次来压步距45～55 m、周期来压步距分别为35～42 m，来压时采面综放支架受力明显增加，回风隅角瓦斯量显著增大。为此，采用水力压裂技术在3506 综放工作面初采期间进行顶板弱化。具体回采巷道内弱化钻孔布置，如图1 所示。

图1 水力压裂钻孔布置图

2.3 压裂基本操作流程

沿着施工的水力钻孔，采用KZ54 型切槽钻头在水力压裂段制作切槽；退出钻杆，采用钻孔窥视仪观察开槽效果，若效果较差时则可再次补开槽。

采用注水管将封隔器（跨式膨胀型）送至切槽处，并连接高压胶管、手动泵等装置对封隔器进行加压，以便对横向切槽段进行封孔。连接高压注水泵、高压注水管、压力表等，在封隔段进行水力压裂时，应通过压力表密切关注注水压力变化情况。

2.4 水力压裂过程

在水力压裂过程中对压裂孔邻近钻孔出水情况进行监测，以便判断钻孔间距合理性。在水力压裂过程中邻近钻孔均有出水情况，表明水力压裂产生的缝隙可与邻近钻孔孔隙联通，钻孔布置间距合理，可满足顶板弱化需要。对水力压裂过程中水压进行监测，具体轨道顺槽、胶带顺槽内水力压裂钻孔水压变化监测结果，如图2 所示。从图中看出，轨道顺槽内压裂孔压力最大为28.9 MPa，顶板岩层中缝隙扩展一般为26 MPa。在水力压裂过程中水压变化平稳，未出现明显增高或者降低情况，表明压裂区域岩层稳定、裂隙不扩展。

图2 水压变化监测结果

3 现场应用效果分析

邻近的3503、3504 工作面均未对坚硬顶板进行弱化，采面在回采期间初期来压步距、周期来压步距均较大，矿压显现明显且顶板垮落期间瓦斯涌出量显著增大。3506 综放工作面坚硬顶板经过水力压裂处理后，3506 综放工作面在推进至顶板弱化区域时采面推进约25～30 m 时直接顶即全部垮落，垮落矸石充填整个采空区。3506 综放工作面在水力压裂顶板弱化区域内回采时，初次来压步距控制在30～38 m、周期来压步距约为28～35 m，采面来压期间综放支架压力变化不明显、采面煤壁及顶板保持稳定，同时回风隅角瓦斯涌出未明显增加。

目前，水力压裂技术已在该矿后续3508、2507 综放工作面内应用，有效解决了采面初采期间顶板管理难度大、矿压显现异常等问题。

4 总结

将水力压裂技术应用到5# 煤层坚硬顶板弱化中，可明显降低顶板砂岩、石灰岩岩层强度、完整性，有利于采面初采期间顶板及时垮落，确保初采安全。依据3506 综放工作面现场情况，将水力压裂钻孔布置在采面回采巷道内，钻孔间距为20 m、钻孔孔深70 m、仰角20°，水力压裂钻孔压裂顶板23.4 m，现场应用后高压水压力稳定在17.9 MPa，期间注水压力未有明显波动。3506 综放工作面在水力压裂区内回采期间，采面推进25～30 m 时基本顶即可全部垮落，采面初次来压步距、周期来压步距分别控制在30～38 m、28～35 m，来压步距较小，矿压显现不明显，可为采面初采创造良好条件。