張有河

（山西省晉神能源有限公司，山西 河曲 036500）

0 引 言

受煤層地質(zhì)條件、覆巖壓力、開采方式等因素影響，煤礦井下綜采工作面在初采期間，易發(fā)生工作面采空區(qū)頂板長(zhǎng)距離大面積懸頂不垮落現(xiàn)象，從而造成采空區(qū)瓦斯、CO等有害氣體積聚，且當(dāng)大面積懸頂突然垮落時(shí)，容易造成頂板事故、瓦斯、CO超限等礦井災(zāi)害事故，給礦井安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅[1-2]。為防止類似事故發(fā)生，在工作面初采期間，通常采用切巷及上下端頭超前退錨、剪網(wǎng)及頂板超前爆破預(yù)裂強(qiáng)制放頂?shù)燃夹g(shù)措施[3]，但存在切頂效果差、安全系數(shù)低等問題。高壓水力壓裂技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于井下工作面瓦斯抽采、地面石油、天然氣開采等領(lǐng)域，由于水力壓裂技術(shù)安全性較高、且現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施操作較為簡(jiǎn)單[4]。本文以磁窯溝煤礦13102工作面為工程背景，擬采用高壓水力壓裂方式對(duì)工作面頂板進(jìn)行預(yù)裂破壞，并研究分析了相應(yīng)的水力壓裂施工工藝參數(shù)，為類似條件下礦井實(shí)施水力壓裂方案提供技術(shù)參考。

1 概 況

磁窯溝煤礦核定生產(chǎn)能力為500萬t/a。13102工作面位于礦井南翼采區(qū)，工作面切眼長(zhǎng)度為240 m，切眼斷面寬×高為10.0 m×4.0 m，膠運(yùn)順槽斷面寬×高為5.6 m×4.0 m，回風(fēng)順槽斷面寬×高為5.0 m×3.8 m，沿煤層底板掘進(jìn)，工作面主采13號(hào)煤層，煤層平均厚度11.1 m，采用綜采放頂煤采煤工藝進(jìn)行開采，全部垮落法管理采空區(qū)頂板。工作面煤層綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 1 31 02工作面煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of coal seam roof and floor in 13102 working face

由于13102工作面切眼掘進(jìn)期間采用錨網(wǎng)索進(jìn)行支護(hù)，在初采初放期間，雖然對(duì)切眼內(nèi)頂板施工的錨桿、錨索托盤進(jìn)行提取退錨處理，但其頂板巖層較為堅(jiān)硬，造成工作面回采頂板巖層不能及時(shí)垮落，形成大面積懸頂和大量瓦斯積聚，在回采期間經(jīng)常出現(xiàn)上隅角瓦斯超限現(xiàn)象，給工作面安全生產(chǎn)帶來安全隱患。為保證工作面安全回采，需采取強(qiáng)制放頂措施處理頂板。

對(duì)13102工作面煤層頂板巖層巖性特征進(jìn)行分析，為制定切頂卸壓措施提供理論依據(jù)，向工作面切眼頂板巖層中施工窺視鉆孔，對(duì)其頂板巖層進(jìn)行窺視[5]。選取5號(hào)窺視鉆孔（孔深42.6 m）進(jìn)行分析，在0～1 m頂板巖層深度，其內(nèi)部巖層裂隙較發(fā)育，在超過1 m深度區(qū)域后，巖層裂隙發(fā)育逐漸減少。綜合考慮13102工作面煤巖層地質(zhì)條件、開采方式及現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)實(shí)際情況，決定采用高壓水力壓裂切頂卸壓技術(shù)來處理13102工作面頂板大面積懸頂不及時(shí)垮落問題。

2 高壓水力壓裂施工方案設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)原理

高壓水力壓裂技術(shù)是利用液壓鉆機(jī)向工作面煤層頂板中施工壓裂鉆孔，在施工過程中首先使用普通鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，在施工到設(shè)計(jì)深度后，將鉆頭更換成特殊開槽鉆頭，在鉆孔終端位置施工橫向切槽，當(dāng)施工完成后，使用封孔器對(duì)鉆孔進(jìn)行封堵，利用高壓注水泵向切槽內(nèi)進(jìn)行注高壓水，通過高壓水向橫向切槽兩端施加橫向高壓切應(yīng)力，使切槽內(nèi)的巖層產(chǎn)生裂縫，在高壓切應(yīng)力的不斷作用下，切縫逐漸擴(kuò)大并延展，破壞巖層的完整性，使其產(chǎn)生分層后整體強(qiáng)度降低[6-8]。工作面在回采過程中，煤層頂板在采動(dòng)動(dòng)壓及覆巖應(yīng)力等作用下，工作面采空區(qū)內(nèi)頂板巖層垮落方式由原來的整體一次性垮落變?yōu)榉謱右来慰迓?，減小了工作面頂板初次來壓步距，且其來壓強(qiáng)度也大幅度減弱，降低了頂板大面積垮落給工作面生產(chǎn)帶來的安全隱患，為工作面安全生產(chǎn)提供了保障。

2.2 施工方案設(shè)計(jì)

2.2.1 鉆孔布置

壓裂鉆孔布置如圖2所示，累計(jì)施工41個(gè)鉆孔。①在切眼回采側(cè)布置壓裂鉆孔L（14個(gè)）、鉆孔S（13個(gè)）、鉆孔J（4個(gè)）；②在進(jìn)風(fēng)順槽布置鉆孔S（3個(gè))、鉆孔A（2個(gè)）；③在回風(fēng)順槽布置鉆孔S（3個(gè)）、鉆孔A（2個(gè)）。

圖2 1 31 02工作面切眼水力壓裂初次放頂鉆孔布置Fig.2 The arrangement of drilling holes for the first caving of hydraulic fracturing in 13102 working face

2.2.2 鉆孔技術(shù)參數(shù)

①鉆孔L，孔深40 m，傾角為30°；②鉆孔S，孔深40 m，傾角為45°；③鉆孔J，孔深30 m，傾角為45°；④鉆孔A，孔深40 m，傾角為30°。

鉆孔進(jìn)尺總計(jì)：560 m（14個(gè)L孔）+760 m（19個(gè)S孔）+120 m（4個(gè)J孔）+160 m（4個(gè)A孔）=1 600 m。

2.3 主要施工機(jī)具

在工作面進(jìn)行水力壓裂施工時(shí)，所需主要機(jī)具見表1。

表1 主要施工機(jī)具規(guī)格型號(hào)及技術(shù)參數(shù)Table 1 Specification type and technical parameters of main construction machinery

2.4 施工工藝流程

高壓水力壓裂技術(shù)主要施工工藝包括鉆孔、封孔、高壓水壓裂3個(gè)步驟。

（1）鉆孔。采用ZDY2300LPS型煤礦全液壓坑道鉆機(jī)、φ60 mm鉆頭及配套的地質(zhì)鉆桿，按照設(shè)計(jì)方案的技術(shù)參數(shù)，完成鉆孔施工。

（2）封孔。鉆孔至設(shè)計(jì)深度后，退出鉆桿，更換為封隔器，采用人力或機(jī)械將封隔器推進(jìn)至壓裂位置，然后通過高壓樹脂細(xì)管緩慢加壓，使封隔器膠筒膨脹，封孔壓力為12～16 MPa，保證連接處密封完好，關(guān)閉樹脂細(xì)管閥門，試壓時(shí)加壓到2～5 MPa檢查密封情況，達(dá)到要求后封孔完成。

（3）高壓水壓裂。緩慢打開與高壓注水桿連接的截止閥，緩慢注水加壓，觀察封孔效果，觀察1 min后，如本孔不出水，持續(xù)加壓進(jìn)行保壓注水，一般持續(xù)30 min（具體視情況而定）。若未達(dá)到30 min時(shí)，臨近鉆孔或附近裂隙有水涌出，即說明壓裂孔與臨近孔或周圍裂隙已溝通，再繼續(xù)加壓，如涌水情況無變化時(shí)可停泵，首次壓裂結(jié)束。泄壓后按設(shè)計(jì)要求逐次下移封隔器，重復(fù)（2）、（3）工序，直至該孔壓裂結(jié)束。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

3.1 水力壓裂壓力變化情況監(jiān)測(cè)

13102工作面進(jìn)行高壓水力壓裂實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)高壓水泵水壓大小變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為分析研判工作面高壓水力壓裂效果提供參考依據(jù)。觀測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 高壓注水泵壓力變化情況Fig.3 Pressure variation of high-pressure water injection pump

由圖3中壓力變化曲線分析可知，高壓水切應(yīng)力作用到巖層上時(shí)，由于不同地點(diǎn)的巖層巖性和地質(zhì)條件不同，產(chǎn)生的壓力變化也不同。

當(dāng)顯示的壓力曲線呈現(xiàn)鋸齒狀且比較緊湊時(shí)，表明此區(qū)域巖層產(chǎn)生的裂縫在延伸擴(kuò)展時(shí)，開裂幅度較?。划?dāng)壓力曲線呈現(xiàn)為波浪形變化時(shí)，表明此區(qū)域巖層產(chǎn)生的裂縫開裂幅度有大有小；因有的巖層內(nèi)部存在構(gòu)造面或者本身帶有原生裂隙，當(dāng)實(shí)施高壓注水時(shí)，高壓泵的壓力會(huì)發(fā)生較為劇烈的波動(dòng)變化。

3.2 應(yīng)用效果分析

根據(jù)對(duì)磁窯溝煤礦原已回采過的13101工作面頂板來壓觀測(cè)結(jié)果分析可知，13101工作面直接頂和老頂初次來壓步距分別為16.5 m和46.8 m，工作面老頂初次來壓期間，工作面支架工作阻力顯著增大，其中80%液壓支架工作阻力在10 000～11 000 kN，最大地段達(dá)到12 500 kN，在回采期間煤墻出現(xiàn)大面積片幫現(xiàn)象。

在13102工作面試驗(yàn)采用高壓水力壓裂切頂卸壓技術(shù)后，為觀測(cè)分析13102工作面初采期間頂板初次來壓情況，在工作面液壓支架上安裝了在線礦壓觀測(cè)系統(tǒng)，對(duì)工作面綜采液壓支架工作阻力變化情況進(jìn)行觀測(cè)，同時(shí)在工作面回采期間，每班現(xiàn)場(chǎng)查看采空區(qū)頂板來壓情況，觀測(cè)結(jié)果顯示，工作面開幫生產(chǎn)后在推進(jìn)2.4 m時(shí)，工作面直接頂開始局部出現(xiàn)垮落現(xiàn)象，在推進(jìn)6.4 m后直接頂全部垮落，在推進(jìn)16 m后老頂全部垮落，據(jù)此分析可知，13102工作面老頂初次來壓步距為16 m，相比原13101工作面減少了30 m，且在工作面頂板初次來壓期間，煤墻只有局部出現(xiàn)輕微片幫現(xiàn)象，工作面液壓支架工作阻力在8 500～9 000 kN，最大時(shí)為10 000 kN。由此表明工作面頂板在采取高壓水力壓裂切頂卸壓措施后，有效解決了工作面頂板長(zhǎng)距離大面積不垮落問題，保障了工作面初采期間安全回采。

4 結(jié) 語

通過在磁窯溝煤礦13102工作面切眼內(nèi)進(jìn)行高壓水力壓裂試驗(yàn)，結(jié)果表明，對(duì)工作面頂板進(jìn)行水力壓裂切頂卸壓后，頂板巖層在高壓水的切應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂縫而形成分層，使其完整性被破壞，工作面采空區(qū)內(nèi)頂板巖層垮落方式由原來的整體一次性垮落轉(zhuǎn)變?yōu)榉謱右来慰迓?，?3102工作面初采期間，其老頂初次來壓步距相比原13101工作面減小了30 m，且來壓強(qiáng)度也出現(xiàn)大幅度降低，解決了工作面頂板大面積懸頂不及時(shí)垮落帶來的安全隱患，保障了工作面安全順利回采。