姚俊彪 張大明 李 剛

（1.山西河曲晉神磁窯溝煤業(yè)有限公司，山西 河曲 036500；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

全部垮落法管理采空區(qū)頂板時(shí)，如頂板巖性比較堅(jiān)硬且厚度大，煤層開采后，采空區(qū)頂板將會(huì)形成大面積懸頂，初次來壓步距可達(dá)40～80 m，甚至上百米[1]，頂板來壓時(shí)會(huì)對(duì)支護(hù)設(shè)備和人員造成破壞事故。山西晉神磁窯溝煤業(yè)13102 工作面煤層頂板堅(jiān)硬，初次來壓前采空區(qū)懸頂距離長(zhǎng)，13102 切眼開展了水力壓裂頂板弱化研究，得出有價(jià)值的工藝參數(shù)，為類似條件下切眼初次放頂工程提供借鑒。

1 概況

13102 綜采工作面所采煤層為13#煤層，位于二水平一盤區(qū)，工作面標(biāo)高為+886～ +928 m，埋藏深度110.0～188.2 m。直接頂厚為2.99～3.53 m，巖性為泥巖和砂質(zhì)泥巖?；卷敽駷?0.57～23.32 m，巖性為細(xì)粒砂巖、中粒砂巖、粗粒砂巖，巖性致密堅(jiān)硬?；仫L(fēng)順槽長(zhǎng)1721 m，運(yùn)輸順槽長(zhǎng)1721 m，切眼長(zhǎng)240 m。工作面東部為13103工作面（未形成），以東為13 號(hào)煤層未開采的實(shí)體煤；南部為山西華鹿陽坡泉煤礦；西部為13101 綜放工作面（已回采）；北部為131盤區(qū)輔助運(yùn)輸大巷、膠帶大巷、回風(fēng)大巷。

2 切眼水壓致裂方案

2.1 鉆孔布置

水壓致裂施工鉆孔布置位置分別在運(yùn)輸順槽、切眼及回風(fēng)順槽，共41 個(gè)鉆孔，其中在切眼回采側(cè)布置壓裂鉆孔L（14 個(gè)），鉆孔S（13 個(gè)），鉆孔J（4 個(gè)）；進(jìn)風(fēng)順槽布置鉆孔S（3 個(gè)) ，鉆孔A（2 個(gè)）；回風(fēng)順槽布置鉆孔S（3 個(gè)），鉆孔A（2個(gè)）。具體方案如圖1，水力壓裂鉆孔參數(shù)見表1。

表1 水壓致裂鉆孔布置

圖1 水力壓裂鉆孔布置平面圖（m）

2.2 壓裂孔封孔

將橡膠封孔器推至預(yù)裂縫處，開泵加壓后，具有自平衡結(jié)構(gòu)的封孔器橡膠管發(fā)生膨脹，緊緊撐緊孔壁，封孔壓力為12～16 MPa，試壓時(shí)加壓到2～5 MPa 檢查密封情況。水流在高壓作用下使煤巖預(yù)裂縫不斷起裂并擴(kuò)展，使頂板分層弱化[2]。

2.3 高壓水壓裂

高壓水壓裂通過高壓膠管、注水鋼管、壓裂鋼管進(jìn)行煤巖預(yù)裂。為使切眼段頂板處于可控狀態(tài)，初期預(yù)裂參數(shù)較為保守[3]，單孔預(yù)裂7～11 次，每段壓裂3 m，孔底1 m 不壓裂，自孔底每3 m 一段向孔口方向壓裂。人員依據(jù)壓力變化情況判斷每段預(yù)裂時(shí)間，通常不低于16 min[4]。25～30 MPa 為單個(gè)鉆孔最大起裂壓力范圍，當(dāng)鉆孔壓力低于10 MPa 或巷道頂板出現(xiàn)涌水加大時(shí)，立即停止注水工作。

2.4 施工準(zhǔn)備

施工選用ZDY2300LPS 大型履帶式鉆機(jī)，質(zhì)量為4.5 t。注水高壓泵型號(hào)HSA9032A-95/60Y，功率90 kW，流量5.7 m3/h，額定壓力60 MPa，能夠充分滿足水力壓裂時(shí)的壓力要求。供排水準(zhǔn)備：供水壓力不小于1 MPa，壓力不足時(shí)設(shè)置增壓泵[5]。Φ108 mm 管路布置于運(yùn)輸順槽，連接方式為KJ25。

3 壓裂過程中壓力變化監(jiān)測(cè)與分析

壓裂階段為2021 年5 月16 日至2021 年6 月3日，歷時(shí)18 d。為了能夠更加準(zhǔn)確地獲取壓裂時(shí)壓裂部位壓力變化的數(shù)據(jù)，采用KJ327 水力壓裂水壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)壓裂過程中的壓力變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。選取5 月28 日—5 月31 日期間鉆孔水力壓裂的壓力變化進(jìn)行分析，如圖2。

圖2 鉆孔水壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖

5 月28 日—5 月31 日四天共壓裂鉆孔10 個(gè)，依 次 為L(zhǎng)11、S10、L10、S9、L9、S8、L8、J4、S7、J3 鉆孔，對(duì)各鉆孔水壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論。

（1）總的壓裂次數(shù)基本保持在8～12 次，鉆孔的最大壓力均值26.68 MPa。排除5 月27 日、5 月30 日兩天受水壓不穩(wěn)、斷水等原因影響的L11、S10、L8、S8 四個(gè)鉆孔，其他鉆孔的最大壓力均值為29.1 MPa，表明在水壓及供水正常情況下，鉆孔起裂壓力較高。

（2）初始?jí)毫褧r(shí)，即封孔器處在孔底K2 石灰?guī)r層中時(shí)，起裂壓力最大，最大可達(dá)32.2 MPa。

（3）隨著壓裂時(shí)逐步退出注水桿，壓裂的層位：含礫粗砂巖→細(xì)砂巖→中粒砂巖，隨著巖層逐漸變軟，起裂壓力逐步降低。

（4）13102 切眼起裂最大壓力達(dá)34 MPa（A2鉆孔），由于頂板主要為含礫粗砂巖和中粒砂巖，頂板較堅(jiān)硬，起裂壓力明顯較高，表明采用水力壓裂工藝治理石灰?guī)r堅(jiān)硬頂板依然有效。

4 定向水壓致裂效果分析

為了解水壓致裂對(duì)頂板的預(yù)裂效果及超前水壓致裂對(duì)巷道頂板的破壞情況，對(duì)工作面頂板垮落情況、頂板裂隙發(fā)育鉆孔窺視觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析[6]。

4.1 工作面頂板垮落情況分析

在施工期間對(duì)13101 切眼和13102 切眼的支架壓力變化及回風(fēng)順槽超前支架前面頂板變形量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，13102 工作面與15201 工作面初次來壓步距對(duì)比情況見表2。對(duì)比13101 工作面初次來壓步距可知，采用水力壓裂處理切眼及超前頂板后，13102 工作面初次來壓步距明顯縮短，直接頂垮落步距由14 m 縮短至10.5 m，降幅達(dá)3.5 m，基本頂垮落步距由80 m 降至56 m，降幅達(dá)24 m，表明切眼水力壓裂切頂效果明顯，安全風(fēng)險(xiǎn)大大降低。

表2 工作面初次來壓步距對(duì)比表 m

4.2 鉆孔窺視頂板裂隙發(fā)育特征研究

項(xiàng)目組于6 月2 日對(duì)水壓致裂前后頂板鉆孔的裂隙發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了鉆孔窺視試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3～圖5。通過對(duì)L10 各壓裂點(diǎn)的孔深和綜合柱狀圖分析計(jì)算，鉆孔16.4 m、21.1 m、32.3 m 和37.2 m均處在中粒砂巖層位。

圖3 L10 鉆孔水壓致裂前后鉆孔裂隙發(fā)育情況

圖4 S8 鉆孔水壓致裂前后鉆孔裂隙發(fā)育情況

圖5 L3 鉆孔水壓致裂前后鉆孔裂隙發(fā)育情況

由圖3～圖5 可知，L10、S8、L3 三個(gè)鉆孔主要以中粒砂巖、細(xì)砂巖、含礫粗砂巖為主。分析各鉆孔孔深和綜合柱狀圖可知，圖3（a）、（b）、（c）和（d）處在中粒砂巖層位，圖4（a）和4（b）處在中粒砂巖層位，4（c）處在細(xì)砂巖層位，4（d）處在含礫粗砂巖層位，圖5（a）、5（b）、5（c）和5（d）均處在中粒砂巖層位。

由窺視結(jié)果可以看出，壓裂之前，中粒砂巖、細(xì)砂巖和含礫粗砂巖均勻密實(shí)，無裂隙；致裂后，原鉆孔裂隙發(fā)生明顯的擴(kuò)展，并有大量新生裂隙產(chǎn)生。表明水力壓裂確實(shí)能夠有效破壞頂板完整性，有利于頂板的及時(shí)垮落。

5 結(jié)語

為避免13102 工作面開采后頂板大面積懸頂，采用了水力壓裂技術(shù)對(duì)切眼處頂板進(jìn)行初次切頂卸壓，對(duì)施工鉆孔布置方式、水壓致裂相關(guān)參數(shù)、施工準(zhǔn)備等進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過監(jiān)測(cè)鉆孔壓裂過程中的壓力變化，總的壓裂次數(shù)基本保持在8～12 次，鉆孔的最大壓力均值26.68 MPa，最大起裂壓力達(dá)34 MPa。通過13102 工作面與類似條件工作面初次來壓步距對(duì)比和鉆孔窺視頂板裂隙發(fā)育特征，表明采用水力壓裂工藝治理石灰?guī)r堅(jiān)硬頂板依然有效。