李浩男

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)成莊礦，山西 晉城 048000）

0 引言

堅(jiān)硬頂板在采空區(qū)后方未能及時垮落形成大面積懸頂是影響礦井安全生產(chǎn)的不穩(wěn)定因素。堅(jiān)硬難垮頂板主要是指抗壓強(qiáng)度高、巖層致密、完整性強(qiáng)、揭露后不易垮落的巖層。頂板懸頂造成的危害主要存在2個方面：一是頂板瞬間大面積垮落形成颶風(fēng)，沖擊井下工作面，造成采面設(shè)備損壞、巷道支護(hù)體失效；二是堅(jiān)硬巖層不及時破斷造成巷道超前支撐壓力增大進(jìn)而導(dǎo)致巷道變形失穩(wěn)破壞。目前，針對堅(jiān)硬難垮頂板主要處理手段是施工密集鉆孔和滯后淺孔預(yù)裂爆破，存在施工效率低下，弱化頂板深度較淺，上覆巖層應(yīng)力未能得到有效釋放等諸多問題?；诖耍ㄏ蛩毫鸭夹g(shù)成為解決堅(jiān)硬頂板懸頂問題時的首選方案[1-4]。

1 工程概況

成莊礦X V1307工作面為15號煤首采面，埋深約為320 m，上方為3號煤采空區(qū)。15號煤層穩(wěn)定，煤厚1.29～5.63 m，平均3.68 m。煤層含夾矸0～7層，一般1～4層，夾矸厚0.10～0.30 m，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。15號煤位于太原組一段上部，上距K2石灰?guī)r0～2.50 m，平均0.68 m，下距K1砂巖0～25.80 m，平均12.34 m。K2石灰?guī)r平均厚度9.9 m，單軸抗壓強(qiáng)度平均值為110 MPa，強(qiáng)度較高，屬于典型的厚煤層堅(jiān)硬難垮落頂板，15號煤頂?shù)装迩闆r如圖1所示。就鄰近礦井開采15號煤經(jīng)驗(yàn)來看，工作面初次垮落步距在40 m左右，周期來壓步距在28 m左右，工作面來壓明顯，巷道維護(hù)困難，提前進(jìn)行頂板預(yù)裂處理是解決問題的關(guān)鍵。

圖1 15號煤頂?shù)装逯鶢顖D

2 定向水力壓裂方案

2.1 水力壓裂工藝

定向水力壓裂技術(shù)主要是通過向頂板預(yù)先施工的鉆孔分段注入高壓水削減頂板完整性，促使堅(jiān)硬頂板分層垮落，達(dá)到縮減來壓步距、減緩超前支撐壓力影響、消除頂板大面積冒落引發(fā)惡性事故的目的。水力壓裂系統(tǒng)主要包含高壓水泵、儲能器、手動泵、封孔器、管路、各類壓力儀器組成。水力壓裂技術(shù)主要包括鉆孔、割縫、封孔、壓裂4項(xiàng)主要工序。首先，按照施工方案利用普通鉆頭在巷道頂板堅(jiān)硬巖層中鉆孔，鉆至預(yù)先設(shè)計終孔位置停止；將普通鉆頭更換為可預(yù)制橫向切槽的特殊鉆頭，在水力壓裂段預(yù)制橫向切槽；將跨式膨脹型封孔器推進(jìn)至壓裂段，通過手動泵加壓促使封孔器膨脹，達(dá)到封孔的目的；最終，連接高壓水泵向壓裂段壓入高壓水，保壓20 min以上，重復(fù)上述工序即可[5-7]。水力壓裂控制堅(jiān)硬頂板巖層示意圖如圖2所示。

圖2 水力壓裂控制堅(jiān)硬頂板巖層示意圖

2.2 壓裂鉆孔布置參數(shù)

與傳統(tǒng)油氣行業(yè)不同，井下定向水力壓裂技術(shù)施工地點(diǎn)限制條件較多，作業(yè)空間狹小，因而其施工工藝有其獨(dú)特之處。根據(jù)X V1307工作面柱狀圖、地應(yīng)力大小及方向、頂板巖性情況，擬選擇工作面水力壓裂方案如下：工作面順槽鉆孔布置為單側(cè)布置，如圖3所示，開孔位置距頂板200～300 mm，鉆孔長度為50 m，孔間距為10 m，鉆孔與煤層走向方向的夾角為30°，鉆孔水平投影與巷道夾角為70°。

圖3 X V1307工作面順槽鉆孔布置

2.3 應(yīng)用效果考察

為了對水力壓裂作用效果有更加直觀的認(rèn)識，優(yōu)先選擇鉆孔窺視的方法對頂板壓裂效果進(jìn)行分析。利用已壓裂鉆孔進(jìn)行窺視作業(yè)，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果表明，壓裂后鉆孔內(nèi)裂隙發(fā)育，裂隙擴(kuò)展性良好，正常情況下能保證巖層的穩(wěn)定下，隨著工作面回采煤層上覆堅(jiān)硬巖層可實(shí)現(xiàn)分層垮落，保證安全回采。

3 安全技術(shù)措施

1）嚴(yán)格按照設(shè)計方案施工，確保壓裂鉆孔施工質(zhì)量。鉆孔施工完成后軸線應(yīng)近似為直線，通過控制鉆進(jìn)速度，減小鉆機(jī)進(jìn)給力實(shí)現(xiàn)；嚴(yán)格控制鉆探施工軌跡，確保壓裂施工改造層位的準(zhǔn)確性。

2）通過多種舉措保證封孔質(zhì)量，保證后續(xù)壓裂工作的正常進(jìn)行。采用倒退式壓裂法，即從鉆孔底部向孔口逐次壓裂；封孔器分隔段必須為巖層完整段；距孔口位置10 m左右不進(jìn)行壓裂作業(yè)。

3）壓裂作業(yè)為隱蔽工程，嚴(yán)格落實(shí)現(xiàn)場監(jiān)督考核制度。單孔壓裂次數(shù)以6～12次為宜，壓裂段長度不宜過長，以3～5 m為宜；壓裂過程中，保證20～30 min的保壓時間，確保頂板壓裂、軟化充分，同時，應(yīng)安排專人對鉆孔周圍頂板進(jìn)行巡檢，當(dāng)出現(xiàn)臨近鉆孔出水時，停止作業(yè)。

4）壓裂作業(yè)開始前，應(yīng)在施工區(qū)域設(shè)置警示牌，禁止非作業(yè)人員進(jìn)入，防止沖孔傷人；安排專人對高壓管路進(jìn)行檢查，確保管路連接處安全可靠。

4 結(jié)論

針對成莊礦X V1307工作面存在堅(jiān)硬頂板不易垮落的難題，提出深孔定向水力壓裂技術(shù)。

經(jīng)現(xiàn)場實(shí)踐表明，水力壓裂可有效破壞深層堅(jiān)硬頂板完整性并促使其分層垮落，消除工作面沖擊來壓的風(fēng)險，降低超前支撐壓力影響，具有良好的經(jīng)濟(jì)社會效益。