楊亞超 張利軍 劉宏煜

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)趙莊二號(hào)井，山西 長(zhǎng)治 047100）

頂板安全事故長(zhǎng)期困擾著我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)，嚴(yán)重影響工作面生產(chǎn)效率的提升[1-2]。由于工作面初采期間頂板不易垮落，對(duì)工作面初采安全影響重大，必須進(jìn)行處理。結(jié)合趙莊二號(hào)井實(shí)際情況，計(jì)劃采用高壓水預(yù)裂技術(shù)弱化處理工作面頂板[3-4]。

1 工作面地質(zhì)資料調(diào)查

趙莊二號(hào)井2309工作面開(kāi)采3號(hào)煤層，煤層平均厚4.2 m，傾角平均為2°，埋深約500 m。煤層頂板結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，由砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等組成。砂質(zhì)泥巖厚10.56 m，強(qiáng)度中等；粉砂巖厚3.28 m，致密堅(jiān)硬。工作面采用綜采放頂煤開(kāi)采，采高2.5 m，放煤高度1.7 m，采面長(zhǎng)160 m，回采長(zhǎng)約1500 m。工作面切眼尺寸為7.4 m×3.2 m，掘進(jìn)面積23.68 m2。

2309工作面北部為礦界，東部和西部均為采空區(qū)，南部為采空區(qū)。工作面初采期間頂板三面處于固支狀態(tài)，加之砂質(zhì)泥巖和粉砂巖頂板完整性好且頂板厚度較大，工作面初采期間不放頂煤，以及切眼巷道頂板支護(hù)強(qiáng)度較高等因素共同作用，工作面初采期間頂板不易垮落，初次來(lái)壓步距長(zhǎng)，必須進(jìn)行頂板弱化處理，減小來(lái)壓步距。

2 壓裂參數(shù)確定

2.1 壓裂壓力分析

地應(yīng)力是確定壓力參數(shù)的重要依據(jù)，趙莊二號(hào)井做過(guò)多次地應(yīng)力測(cè)試，通過(guò)分析趙莊二號(hào)井以往地應(yīng)力資料，可知2309工作面回采區(qū)域?yàn)橹械葢?yīng)力區(qū)域，并且以水平應(yīng)力為主。最大水平應(yīng)力方向?yàn)楸逼珫|26°，水平應(yīng)力最大值為15.2 MPa，最小值為8.1 MPa，垂直應(yīng)力為11.9 MPa。結(jié)合頂板巖性分析，初步確定趙莊二號(hào)井水力預(yù)裂頂板壓力為25 MPa，試驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2 壓裂深度分析

壓裂深度是保證壓裂效果的重要參數(shù)，確定合理的壓裂深度需結(jié)合工作面開(kāi)采參數(shù)以及三帶高度進(jìn)行分析。初采水力預(yù)裂弱化頂板，從而減小初采來(lái)壓步距，故水力壓裂高度應(yīng)達(dá)到老頂位置，即必須達(dá)到工作面上三帶中的裂隙帶位置。故依據(jù)裂隙帶老頂巖梁計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)2309工作面開(kāi)采參數(shù)及頂板巖層參數(shù)計(jì)算可知，第四層7.96 m的砂巖為裂隙帶巖層，故此計(jì)算可知，初采期間水力壓裂高度不小于30 m。

2.3 頂板巖層結(jié)構(gòu)觀測(cè)

為了選擇合理的水力壓裂位置，需對(duì)頂板巖層結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)評(píng)估。采用鉆孔窺視的方法，對(duì)工作面切眼區(qū)域頂板巖層結(jié)構(gòu)進(jìn)行窺視。通過(guò)窺視，掌握了頂板巖層的裂隙發(fā)育情況，煤層頂板上部的砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、泥巖、砂巖等巖層結(jié)構(gòu)均較為完整，除泥巖和砂巖交界面存在短裂隙外，無(wú)明顯的裂隙聯(lián)通情況。故此確定間隔3 m，在粉砂巖、砂巖等巖層完整區(qū)域進(jìn)行壓裂，以破壞其巖層完整性，達(dá)到弱化頂板的目的。

3 水力壓裂方案設(shè)計(jì)及施工工藝

3.1 方案設(shè)計(jì)

2309工作面切眼寬度為7.4 m、高3.2 m、長(zhǎng)160 m。由于初采期間工作面頂板處于三向固支狀態(tài)，因此，確定在工作面切眼老塘側(cè)布置一排鉆孔切斷后方頂板，在工作面?zhèn)炔贾靡慌艍毫雁@孔弱化前方頂板，同時(shí)在工作面切眼端頭布置鉆孔，以切斷端頭頂板。鉆孔布置具體參數(shù)如圖1。

圖1 水力預(yù)裂鉆孔布置示意圖

（1）老塘側(cè)鉆孔。在工作面切眼頂板距老塘側(cè)巷幫1.5 m處施工一排切頂鉆孔，該鉆孔朝向老塘后方，按仰角75°～80°施工，鉆孔直徑75 mm，孔深32 m，鉆孔間距10 m，共計(jì)施工16個(gè)鉆孔。

（2）工作面?zhèn)茹@孔。在工作面切眼頂板距工作面?zhèn)认飵? m處施工一排鉆孔，鉆孔朝向工作面切眼煤壁前方，仰角45°，鉆孔直徑同樣為75 mm，孔深45 m，鉆孔間距10 m，共計(jì)施工14個(gè)鉆孔。

（3）端頭鉆孔。在工作面切眼實(shí)體煤側(cè)布置2個(gè)鉆孔，在距端頭側(cè)巷幫2 m位置，朝向工作面端頭側(cè)巷幫施工，仰角75°～80°施工，鉆孔直徑為75 mm，孔深32 m，間距10 m。

3.2 壓裂參數(shù)

水力預(yù)裂采用后退式施工，由內(nèi)向外每隔3 m壓裂一次。為了保證巷道安全，在頂板支護(hù)范圍內(nèi)（即孔口8 m）不進(jìn)行壓裂，每次壓裂時(shí)長(zhǎng)不少于20 min，初始?jí)毫巡恍∮?5 MPa，后期根據(jù)試驗(yàn)情況進(jìn)行調(diào)整。

3.3 壓裂工藝

實(shí)施水力壓裂，需現(xiàn)窺視鉆孔內(nèi)巖層結(jié)構(gòu)，確定壓裂位置，在壓裂位置采用開(kāi)槽鉆頭進(jìn)行開(kāi)槽。鉆孔施工完畢后，安裝雙向封孔器，由內(nèi)向外，在開(kāi)槽位置進(jìn)行壓裂。封孔和壓裂工藝如圖2、圖3。

圖2 封孔系統(tǒng)連接示意圖

圖3 高壓注水系統(tǒng)連接示意圖

4 工業(yè)試驗(yàn)及效果分析

4.1 井下試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過(guò)程中，首先按照設(shè)計(jì)方案施工水力壓裂鉆孔，之后安裝工作面支架。由于礦井生產(chǎn)銜接調(diào)整，在工作面安裝支架完畢3個(gè)月后才進(jìn)行工作面試生產(chǎn)。因此，為了保證初采放頂效果，初采期間對(duì)工作面兩端頭順槽30 m范圍內(nèi)的巷道頂板錨索進(jìn)行了退錨處理。

4.2 壓裂壓力監(jiān)測(cè)

在水力預(yù)裂過(guò)程中，對(duì)水壓進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析，如圖4所示。由圖4可知，每次壓裂初期壓裂值較高，起裂壓力較大，但在起裂后裂紋逐步擴(kuò)展，之后水壓較為平穩(wěn)呈密集鋸齒狀，可見(jiàn)在恒定壓力下裂紋不斷地進(jìn)行擴(kuò)展。部分時(shí)間段水壓存在波動(dòng)，甚至出現(xiàn)劇烈變化，體現(xiàn)了巖層的不均勻性，以及結(jié)構(gòu)面、地應(yīng)力等對(duì)巖體的影響。

圖4 壓裂壓力曲線

4.3 工作面垮落情況分析

2309工作面于2018年11月8日進(jìn)行初采，11月11日早班，回采進(jìn)度累計(jì)2.4 m，支架后全部垮落；11月13日早班，回采進(jìn)度累計(jì)4.9 m，1～4#架后1 m未完全垮落（旁邊有木垛）；11月16日早班，回采進(jìn)度累計(jì)10.5 m，支架后全部垮落；11月19日早班，回采進(jìn)度累計(jì)14.7 m，支護(hù)后全部垮落；11月22日早班，回采進(jìn)度累計(jì)18.1 m，1～68#架后全部垮落，69～73#架后約2 m未全部垮落；11月26日早班，回采進(jìn)度累計(jì)23.6 m，支架后全部垮落；11月29日早班，回采進(jìn)度累計(jì)29.6 m，支架后全部垮落。整個(gè)初采期間工作面支架壓力較為穩(wěn)定，且未出現(xiàn)安全閥開(kāi)啟現(xiàn)象，說(shuō)明采用水壓預(yù)裂后，頂板的完整性受到破壞，強(qiáng)度降低，能夠逐步垮落，對(duì)支架沖擊小。

5 結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)可知，水壓預(yù)裂后，頂板巖層完整性遭到破壞，隨著工作面回采，頂板能夠及時(shí)垮落，工作面支架壓力較小，未出現(xiàn)安全閥開(kāi)啟現(xiàn)象，水力壓裂縮短了初次來(lái)壓步距，減弱了老頂垮落對(duì)支架的沖擊。