焦世雄

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)白洞礦業(yè)大同有限公司，山西 大同 037000）

同煤集團(tuán)白洞煤礦在使用綜采放頂煤技術(shù)開采二疊系特厚煤層時(shí)，因工作面煤層頂板堅(jiān)硬，回采過程中不會及時(shí)垮落，在基本頂初次來壓期間工作面礦壓表現(xiàn)極為劇烈，對工作面安全生產(chǎn)帶來較大影響。根據(jù)該礦煤層地質(zhì)情況及開采條件分析可知，僅僅依靠提高工作面液壓支架的支撐力來增強(qiáng)對頂板的支撐強(qiáng)度是不能有效降低工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度的，還需要采取弱化頂板強(qiáng)度措施來緩解工作面高應(yīng)力集中問題，從根本上來解決工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈問題。為此，結(jié)合工作面實(shí)際開采條件，提出高壓水力壓裂弱化煤層堅(jiān)硬頂板技術(shù)，經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用效果分析，取得了較好效果。

1 工程概況

15112 工作面位于15 采區(qū)南翼最上部，東部為15111 工作面采空區(qū)，西部為15 采區(qū)邊界臨近FB57 斷層下盤防隔水煤柱，南部為礦井邊界保護(hù)煤柱，北部為15 采區(qū)回風(fēng)、軌道和膠帶下山三條巷道。工作面傾斜長165 m，走向長1058 m，工作面開采二1 煤層，煤層平均厚度8.3 m，平均傾角5°，采用綜合機(jī)械化放頂煤開采工藝，采高為3 m，放煤高度為5.3 m，采用全部垮落法處理采空區(qū)頂板。工作面煤層直接頂為K2 石灰?guī)r與泥巖細(xì)粒砂巖互層，其中K2 石灰?guī)r硬度較大，平均厚度6.2 m，直接底為泥巖。

根據(jù)鄰近15111 工作面回采期間工作面礦壓觀測分析可知，工作面基本頂初次來壓步距為68.8 m左右，周期來壓步距25.7 m 左右。工作面基本頂初次來壓和周期來壓期間，頂板壓力顯現(xiàn)非常明顯且持續(xù)時(shí)間也非常長，工作面液壓支架立柱安全閥打開次數(shù)非常頻繁。初次來壓期間，支架立柱下縮較大，最大時(shí)可達(dá)到350 mm/h，來壓強(qiáng)度平均達(dá)到56 MPa 以上，周期來壓期間來壓強(qiáng)度平均達(dá)到42 MPa，礦壓顯現(xiàn)表現(xiàn)為工作面中部大于上下兩個(gè)端頭。在來壓期間工作面煤墻片幫程度及范圍也明顯增大，上下順槽巷道經(jīng)常還會出現(xiàn)點(diǎn)柱和坑木梁壓斷、剛性梁壓彎、巷道頂板下沉量增大等現(xiàn)象。

2 技術(shù)原理及施工工藝流程

2.1 高壓水力壓裂技術(shù)原理

地下巖層由于是由多種礦物質(zhì)組合而成，其整體結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，巖層中存在許多遇水容易發(fā)生膨脹變形的黏土層，巖體本身也存在大量節(jié)理和裂隙，具有各向非均質(zhì)的特性。巖體受到水的高壓作用力和長時(shí)間浸泡后，巖層結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)將會發(fā)生改變，巖層的黏結(jié)力下降、滲透性增強(qiáng)、抗壓能力降低，同時(shí)巖體內(nèi)部節(jié)理、裂隙也發(fā)生了二次發(fā)育和擴(kuò)展，使巖體的整體結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度被進(jìn)一步破壞[1-2]。高壓水力壓裂技術(shù)就是利用水的高壓作用可以弱化巖體強(qiáng)度的特點(diǎn)，通過在堅(jiān)硬巖層頂板內(nèi)施工預(yù)裂鉆孔后向巖體內(nèi)注入高壓水，在水的高壓和滲透作用下，使巖層內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)發(fā)生改變，裂隙、節(jié)理得到二次擴(kuò)展和發(fā)育，致使巖體整體強(qiáng)度降低，從而實(shí)現(xiàn)弱化堅(jiān)硬頂板的目的[3-6]。

2.2 高壓水力壓裂施工工藝流程

高壓水力壓裂施工工藝流程主要分為四個(gè)步驟[7-8]，分別為鉆孔—割縫—封孔—高壓注水，其使用的主要裝備有高壓注水泵及水箱、切槽鉆頭、鉆桿、專用封孔器、高壓管路、電器控制箱等，施工設(shè)備及系統(tǒng)布置如圖1。

圖1 高壓水力壓裂施工系統(tǒng)布置示意圖

在工作面進(jìn)行高壓水力壓裂施工時(shí)，通常是在工作面切眼和進(jìn)風(fēng)巷及回風(fēng)巷巷道內(nèi)布置鉆機(jī)，但當(dāng)巷道斷面達(dá)不到鉆機(jī)所需要求時(shí)可在巷道內(nèi)施工鉆場用于放置鉆機(jī)。鉆孔施工時(shí)按照鉆孔設(shè)計(jì)要求朝巷道頂板進(jìn)行鉆進(jìn)，為滿足鉆孔施工要求，要根據(jù)工作面巖層性質(zhì)及鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)來選取鉆機(jī)型號，同時(shí)為便于鉆孔和封孔作業(yè)順利進(jìn)行，鉆孔位置應(yīng)選擇巖層壁面光滑、內(nèi)部無明顯節(jié)理裂隙和頂板離層的地點(diǎn)。當(dāng)鉆孔施工到預(yù)定位置后，將鉆頭更換為切槽鉆頭，在鉆孔底部切割出一個(gè)2 倍直徑的楔形槽（如圖2），并使用鉆孔窺視鏡對鉆孔開槽情況進(jìn)行查驗(yàn)。當(dāng)鉆孔開槽施工結(jié)束達(dá)到設(shè)計(jì)要求后先對鉆孔進(jìn)行預(yù)沖孔處理，然后使用專用封孔器對鉆孔進(jìn)行封孔，最后連接好高壓管路開啟高壓注水泵對鉆孔進(jìn)行高壓注水壓裂頂板巖層。

圖2 鉆孔切槽示意圖

3 工程應(yīng)用

3.1 切眼內(nèi)鉆孔施工方案

在15112 工作面切眼內(nèi)沿傾向方向設(shè)計(jì)布置兩排水力壓裂鉆孔，其中一排鉆孔位于工作面切眼煤壁側(cè)，與水平方向成60°夾角，孔深7.0 m；另一排位于工作面切眼采空區(qū)側(cè)，與水平方向成80°夾角，孔深12.0 m。兩排鉆孔均設(shè)計(jì)距工作面底板2.5 m，孔間距為15 m，鉆孔直徑為75 mm。煤壁側(cè)鉆孔與采空區(qū)側(cè)鉆孔呈交錯(cuò)布置，具體設(shè)計(jì)如圖3。

圖3 15112 工作面切眼水力壓裂鉆孔布置示意圖（m）

3.2 順槽鉆孔施工方案

在15112 工作面進(jìn)風(fēng)順槽和回風(fēng)順槽內(nèi)回采側(cè)和煤柱側(cè)距巷幫1.0 m 位置分別設(shè)計(jì)布置一排水力壓裂鉆孔，鉆孔垂直于巷道頂板施工，鉆孔直徑為32 mm。其中巷道回采側(cè)鉆孔孔深為6.0 m，煤柱側(cè)鉆孔孔深為10.0 m，鉆孔間距均設(shè)計(jì)為8.0 m。巷道煤柱側(cè)鉆孔與回采側(cè)鉆孔呈交錯(cuò)布置。15112 工作面順槽鉆孔布置如圖4（以回風(fēng)巷鉆孔布置為例）。

圖4 15112 工作面順槽力壓裂鉆孔布置示意圖（m）

3.3 水力壓裂施工技術(shù)參數(shù)

設(shè)計(jì)注水壓力為30～50 MPa，注水時(shí)間設(shè)計(jì)為30～40 min。在現(xiàn)場施工作業(yè)過程中，可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況對施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

4 應(yīng)用效果

在15112 工作面回采初期，在工作面試驗(yàn)應(yīng)用高壓水力壓裂技術(shù)對工作面堅(jiān)硬頂板進(jìn)行超前預(yù)裂施工，施工后利用鉆孔窺視儀對頂板壓裂效果進(jìn)行窺視探查，結(jié)果如圖5。由圖5 觀察的結(jié)果分析可知，在孔口位置是頂板巖層的原生裂隙，未受到水力壓裂作用的影響，而在孔底位置則發(fā)育有多條明顯縱橫交替的裂隙，由此說明高壓水力壓裂作用取得明顯的效果。同時(shí)，在工作面回采過程中，對工作面礦壓變化情況進(jìn)行在線監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果顯示，15112 工作面在回采過程中初次來壓步距為36.9 m，初次來壓強(qiáng)度為26.8～36.2 MPa，平均為32.6 MPa；周期來壓步距11.2～13.5 m，平均12.3 m，來壓強(qiáng)度18.2～21.4 MPa，平均19.8 MPa。工作面應(yīng)用高壓水力壓裂技術(shù)后，初次來壓步距和來壓強(qiáng)度比未應(yīng)用前分別降低了46.4%和41.8%，周期來壓步距和來壓強(qiáng)度分別降低了52.1%和52.9%；工作面初次來壓和周期來壓期間，工作面煤壁片幫最大長度2 m，片幫深度0.8 m，未出現(xiàn)大面積片幫和漏頂流煤現(xiàn)象。由此表明高壓水力壓裂技術(shù)能夠降低工作面堅(jiān)硬頂板整體強(qiáng)度，達(dá)到弱化和控制的目的，為工作面安全生產(chǎn)提供有力保障。

圖5 15112 工作面水力壓裂鉆孔窺視情況

5 結(jié)語

通過在15112 工作面堅(jiān)硬頂板巖層內(nèi)提前施工水力壓裂鉆孔，采用高壓注水方式對基本頂巖層進(jìn)行切縫壓裂，使其內(nèi)部裂隙和層理形成二次發(fā)育。現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，高壓水力壓裂技術(shù)能夠大幅度縮短工作面基本頂初次來壓和周期來壓步距，降低來壓強(qiáng)度，工作面頂板和煤壁得到有效控制，為工作面安全生產(chǎn)提供有效保障，為類似條件下工作面堅(jiān)硬頂板弱化控制提供技術(shù)參考。