高金強

（汾西礦業(yè)南關(guān)煤業(yè)公司，山西 靈石 031304）

引言

堅硬頂板煤層開采時，采空區(qū)內(nèi)有大范圍懸頂，不僅會增加采面動壓顯現(xiàn)強度而且增加采空區(qū)瓦斯涌出，給煤炭回采安全帶來一定制約[1-3]。實現(xiàn)堅硬頂板弱化對提高煤層開采安全保障能力具有顯著促進意義，為此，眾多的學(xué)者對堅硬頂板弱化技術(shù)展開研究，并提出采用深孔預(yù)裂爆破、水力壓裂等各種頂板弱化技術(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用均取得較好成果[4-7]。文章就以山西某礦31103 采煤工作面回采為工程背景，對水力壓裂技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用進分析。

1 工程概況

山西某礦現(xiàn)階段主采11#煤層，煤層賦存條件較為復(fù)雜，在開采過程中受瓦斯、涌水、礦壓等災(zāi)害影響顯著。31103 采煤工作面位于3 采區(qū)，為該采區(qū)第二個回采工作面，采面設(shè)計走向1 980 m、傾向202 m，采用綜采開采工藝，開采范圍內(nèi)11#煤層厚度均值3.8 m。根據(jù)回采巷道掘進揭露以及巖芯取樣測試發(fā)現(xiàn)，11#煤層頂板巖層為細粒砂巖、砂質(zhì)泥巖以及粗砂巖復(fù)合頂板，底板以鋁質(zhì)泥巖為主（遇水膨脹），現(xiàn)場取樣測試得到的頂板力學(xué)參數(shù)，如表1 所示。

表1 頂板力學(xué)參數(shù)

31103 采煤工作面煤層頂板堅硬，采面礦壓顯現(xiàn)明顯，給采面回采安全以及回采效率等帶來一定制約。為此，選擇采用水力壓裂技術(shù)對采面堅硬頂板進行弱化。

2 水力壓裂技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 壓裂鉆孔布置

為降低31103 采煤工作面煤層頂板堅硬巖層強度以及穩(wěn)定性，在弱化頂板同時降低對后續(xù)回采影響，依據(jù)采面現(xiàn)場實際視情況以及已有水力壓裂技術(shù)理論，對堅硬頂板水力壓裂鉆孔布置進行設(shè)計。頂板水力壓裂工序包括有水力壓裂鉆孔施工、封孔、注高壓水、保壓注水等環(huán)節(jié)，根據(jù)前期試驗結(jié)果最終設(shè)計的水力壓裂鉆孔布置，如圖1 所示。

圖1 采面水力壓裂鉆孔布置示意圖

在采面回風(fēng)巷布置的水力壓裂鉆孔間距為8 m，在回風(fēng)巷副幫施工的水力鉆孔深度40 m、仰角為45°（偏向采面措施巷側(cè)），在回風(fēng)巷正幫施工的水力壓裂鉆孔孔深45 m、仰角45°（偏向采面位置），單個鉆孔壓裂水壓保持在18 MP～55 MP，平均壓裂水壓為30 MPa～355 MPa，水力壓裂鉆孔單段壓裂長度控制在1.5 m～3.0 m，具體鉆孔布置剖面，如圖2 所示。

圖2 回風(fēng)巷水力壓裂鉆孔布置示意圖

2.2 水力壓裂施工工藝

在31103 采煤工作面采用的水力壓裂工藝流程，如圖3 所示，水力壓裂系統(tǒng)包括有高壓水泵、軟管、封孔器、手動泵等結(jié)構(gòu)，水力壓裂過程可分為封孔、水力壓裂以及保壓注水等環(huán)節(jié)。水力壓裂鉆孔通過中心管向鉆孔內(nèi)注入高壓水從而實現(xiàn)鉆孔圍巖壓裂，封孔器與中心管間空間密封壓裂范圍；通過連桿將上下兩個封隔器連接，水力壓裂主要集中在上下兩個封隔器間。注水管連接位置通過O 型圈密閉，不僅密閉可靠而且便于后續(xù)拆裝。高壓水泵為水力壓裂提供高壓水，高壓水泵流量為80 L/min、水壓62 MPa，配套使用的雙電壓電機為660 V/1 140 V。

圖3 水力壓裂工藝流程

3 頂板弱化效果分析

3.1 壓裂孔縫隙擴展情況

頂板巖層裂隙發(fā)育情況是衡量水力壓裂效果的一個重要指標(biāo)，為此采用鉆孔窺視儀對水力壓裂鉆孔不同深度鉆孔孔壁裂隙擴展進行探測。具體F66 水力壓裂鉆孔窺視結(jié)果，如圖4 所示，從圖中看出，隨著鉆孔水力壓裂工作開展，鉆孔孔壁開始出現(xiàn)有橫向、縱向裂隙，裂縫寬度約為2 mm～3 mm、縱向裂隙延伸長度最大可達到5 m 以上；同時從現(xiàn)場壓裂情況看出，在水力壓裂時臨近鉆孔出現(xiàn)不同程度出水情況，表明在水力壓裂段臨近鉆孔間已形成貫通裂隙。

圖4 水力壓裂段鉆孔窺視成果圖

3.2 礦壓顯現(xiàn)監(jiān)測

采面回采期間礦壓顯現(xiàn)情況是衡量頂板弱化效果的最為直觀指標(biāo)。對采面回風(fēng)巷端頭影響范圍內(nèi)的液壓支架工作阻力進行監(jiān)測（監(jiān)測范圍為距離回風(fēng)巷35 m 以內(nèi)的支架），具體監(jiān)測得到的不同支架工作阻力變化情況，如表2 所示。

從表中可看出，采面在水力壓裂影響區(qū)以外回采時，頂板來壓時液壓支架工作阻力加大且動載系數(shù)較高，一般在1.3 以上；進入到水力壓裂影響區(qū)之后，由于采空區(qū)內(nèi)頂板可及時垮落，頂板來壓時液壓支架工作阻力以及動載系數(shù)等均明顯降低，表明采用的水力壓裂技術(shù)可有效降低采面回采期間礦壓顯現(xiàn)強度。

4 總結(jié)

當(dāng)煤層頂板為堅硬巖層時，回采期間面臨礦壓顯現(xiàn)顯著、采空區(qū)懸頂面積大、采空區(qū)瓦斯涌出量高等問題，給煤炭回采安全帶來制約。采用弱化技術(shù)處理堅硬頂板，降低巖層強度以及穩(wěn)定性，是實現(xiàn)堅硬頂板煤層高效回采的重要舉措。為此，以31103 采煤工作面回采為工程實例，提出在采面回風(fēng)巷內(nèi)布置水力壓裂鉆孔，對頂板進行弱化，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況對弱化技術(shù)方案進行設(shè)計?，F(xiàn)場應(yīng)用后，頂板弱化段頂板來壓強度明顯降低，采空區(qū)頂板可及時垮落，取得較為顯著頂板弱化效果。