水力压裂技术控制坚硬顶板上隅角悬顶面积试验

郭相平，冯彦军，白　宇

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采设计研究分院，北京 100013；

3.晋煤集团 寺河矿二号井，山西 晋城 048019)



水力压裂技术控制坚硬顶板上隅角悬顶面积试验

郭相平1,2，冯彦军1,2，白宇3

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采设计研究分院，北京 100013；

3.晋煤集团 寺河矿二号井，山西 晋城 048019)

[摘要]针对高瓦斯矿井回风巷上隅角悬顶面积过大容易造成瓦斯超限的难题，进行水力压裂控制坚硬顶板回风巷上隅角悬顶面积的井下试验。通过在巷道内布置H型钻孔，并将钻孔间距缩至控制半径的一半，同时采取相邻钻孔错位压裂的措施，结果证明工作面两巷上隅角悬顶面积控制在要求的范围之内，并且对巷道没有产生额外的破坏作用。

[关键词]水力压裂；上隅角；悬顶面积

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.019

[引用格式]郭相平，冯彦军，白宇.水力压裂技术控制坚硬顶板上隅角悬顶面积试验[J].煤矿开采，2015，20(5)：70-73.

在煤矿开采中，坚硬顶板是指在煤层上方或者较薄的一层直接顶上面厚并且稳定的、非常坚硬的石灰岩、砂岩或砾岩等岩层，坚硬顶板具有强度极高、整体性很强、节理和裂隙均不发育、厚度较大、自身承载能力极强等特点[1]。煤被开采后，坚硬顶板大面积悬露在采空区而不垮落，一旦垮落，垮落的面积很大，矿山压力显现强烈，并且来压时有可能形成飓风，造成支护设备损坏，甚至有可能出现危及人身及煤矿安全的恶性事故[2-3]。近几年国内研究人员对坚硬难垮顶板控制做了大量的研究，并取得了显著的成效[4-5]。煤矿也从水力压裂技术中尝到了甜头，与爆破强制放顶相比，应用水力压力技术控制坚硬顶板有以下优点[4]：

(1)工程量大大减小，避免使用大量的炸药，提高了工程的安全性，降低了成本，并且减小了井下空气污染。

(2)水力压裂可以在支架安装前施工，优化了施工顺序，缩短了工作面安装的时间。

(3)提前进行水力压裂控制顶板，一旦回采，顶板及时垮落，避免了爆破强制放顶效果不佳，易造成工作面顶板难控制等难题。

(4)在高瓦斯矿井中应用水力压裂技术避免了在施工过程中采取防止瓦斯或煤尘爆炸的措施。

(5)水力压裂技术是静态压裂，分层逐步垮落，动静小，矿压显现缓慢。

随着研究的深入，煤矿不但要解决大面积顶板的垮落问题，还要将上隅角的悬顶面积控制在一定范围之内，为此将试验地点定在晋煤集团寺河矿二号井。

1井下试验

1.1　现场条件

试验地点定在寺河矿二号井15号煤层151305工作面，巷道埋深在329～419m之间，上距9号煤层28～30m，煤层厚1.97～3.84m，平均2.66m。顶板为平均10.29m厚的K2石灰岩，深灰色，致密坚硬，全区稳定，局部有泥岩、炭质泥岩伪顶，厚度平均0.41m，松软，易垮落。151305工作面附近15号煤层顶底板情况如图1所示。

图1　151305综采工作面综合柱状

现场测试结果为顶板K2石灰岩的抗压强度123.43MPa，属于极坚硬顶板，泥岩夹层在石灰岩顶板中的位置随区域有所偏差，泥岩的抗压强度为45.32MPa。3个地应力中最大水平主应力为8.66MPa，最小水平主应力为3.61MPa，垂直主应力为6.91MPa。

1.2　试验方案

根据现场条件和在晋煤集团其他煤矿水力压裂控制坚硬顶板的实践经验，确定试验方案。根据现场控制顶板的需要，在两巷内共布置了3种类型的压裂钻孔，其中一种钻孔控制上隅角顶板的垮落，代号为H孔，如图2(b)所示，钻孔长度为25m，沿两巷走向倾角为45°；两种钻孔主要是控制工作面顶板的垮落，并配合控制上隅角顶板的垮落，代号分别为：S孔，如图2(c)所示，钻孔长度为25m，垂直于两巷走向的倾角为45°；L孔，如图2(d)所示，钻孔长度为35m，垂直于两巷走向的倾角为30°；H钻孔的间距为10m，L孔和S孔间隔布置，每种钻孔之间的间距为20m。水力压裂控制坚硬顶板钻孔施工顺序是：先进行长孔(L孔)压裂钻孔的钻进和压裂作业，再进行短孔(S孔)压裂钻孔的钻进和压裂工作，最后进行H孔压裂钻孔的钻进和压裂工作。

图2　两巷水力压裂钻孔布置

1.3　施工工艺

首先利用TXU-75型地质钻机、坚硬岩石专用钻头在需压裂位置的顶板上打孔。根据封孔器的封孔直径要求，钻头直径为56mm，孔深依据要压裂顶板的厚度和钻孔的角度确定。其次是封孔，先将橡胶封孔器置于预定封孔位置，然后采用封孔系统对压裂段进行封孔，具体的操作过程是：用手动泵向橡胶封孔器内注入高压水进行加压，使橡胶封孔器胶管膨胀紧紧地撑住孔壁，由于胶筒外壁紧贴光滑的压裂钻孔内壁，所以橡胶封孔器能承受很高的水压，封孔系统确保压裂系统的高压水将坚硬顶板压裂并不断扩展，达到将厚层顶板分成许多薄层并且通过水将每个分层进行弱化。压裂是利用压裂系统能够提供大流量、高水压的泵提供高压水，然后通过超高压胶管、无缝轻便的注水钢管以及压裂钢管进行压裂，通过泵的压力表或水压仪的压力曲线监测坚硬顶板的压裂过程，顶板被高压水压裂后水压会突然下降，水泵处于开启状态，自动增压并保压，在高压水的作用下，坚硬顶板的裂纹不断扩展，并且不断有新裂纹产生，根据晋城地区坚硬顶板压裂的经验，保压0.5h左右或钻孔附近有大量水流出时标明压裂的一个循环结束。

2回采验证及效果检测

寺河矿二号井15号煤已经回采完毕的工作面经观测基本顶初次来压步距约为35m，周期来压步距平均为15.5m，上隅角通过爆破强制放顶，宽度在5～6m之间，长度在6～8m之间，当面积达到上限后经常会造成工作面瓦斯超限。而151305工作面在推进12m后顶板开始垮落，2d内基本顶垮落完成，随后工作面中间顶板基本随采随冒，上隅角悬顶基本控制在4m×4m范围以内。图3是回风巷侧液压支架的受力曲线，图4是上隅角悬顶面积曲线。以往的经验显示液压支架靠近两巷受力最大值基本在50MPa左右，而本次监测值基本在40MPa以下，说明工作面后方基本顶在经水力压裂处理后分层垮落效果明显，基本顶悬顶面积大大减小；上隅角悬顶从宽度方向上减少了25%～50%，长度方向上减少了50%～100%。

图3　回风巷侧支架受力监测曲线

3水力压裂对巷道的影响

为了保证两巷上隅角悬顶面积控制在合理范围之内，根据以往的经验，采取了多项措施，首先是在巷道内专门布置H孔，其次是将孔的间距缩至控制半径的一半；再次是为了将10m厚的顶板分成更多层，保证压裂后回采时的垮落效果，每相邻两个H孔的压裂位置均不同。两巷顶板经过如此充分的压裂又有了新的问题，那就是顶板的完整性会不会因为压裂而遭到严重的破坏以至于在回采超前段顶板即发生垮落，为了监测巷道顶板在回采前的变化，特在巷道内布置了多组表面位移观测曲线，1210巷监测结果如图5所示。

图4　上隅角悬顶监测曲线

图5　回采期间1210巷表面位移监测曲线

从回采期间工作面两巷表面位移监测曲线可以看出：巷道表面位移中两帮位移量最大为118mm，顶底板位移量最大为38mm，结合工作面两巷在掘进期间的监测结果，工作面两巷总的位移量两帮最大为171mm，顶底板最大为90mm。工作面两巷变形一般在超前采面50m左右开始，在超前采面20m左右处变形速度加快，到最后工作面完全推过变形量不超过200mm。说明水力压裂对于10m厚的石灰岩巷道顶板在采面超前段的影响甚小，但却能将回采后的巷道上隅角悬顶面积控制在要求的范围之内。

4结论

(1)晋城地区15号煤层10m厚的石灰岩顶板能通过水力压裂的方式将巷道上隅角悬顶面积控制在要求的范围之内。

(2)通过水力压裂切顶后，工作面顶板在推进12m后开始初次垮落，随后工作面后方的顶板基本随采随冒，周期来压现象不明显。

(3)针对晋城地区的15号煤层巷道，水力压裂技术不但能控制巷道上隅角的悬顶面积，而且对巷道在服务期内没有额外的破坏作用。

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Test of Hanging Roof Area at the Upper Corner for Hydro-fracturing Hard Roof

GUO Xiang-ping1,2，FENG Yan-jun1,2,BAI Yu3

(1. Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.,Ltd.,Beijing 100013,China; 2. Coal Mining & Designing Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China; 3. 2ndMine，Sihe Colliery，Jincheng 048019，China)

Abstract：In order to solve the difficult problem of methane overrunning for large hanging roof area at the upper corner in high methane mine，hydro-fracturing was applied to controlling hanging roof area. H-style boreholes were arranged in roadway，space between boreholes was reduced to half of the controlling diameter，and misalignment hydro-fracturing at adjacent borehole was applied. Practice showed that the area of hanging roof was controlled within requirement without extra failure action.

Keywords：hydro-fracturing;upper corner;hanging roof area

[作者简介]郭相平(1980-)，男，安徽庐江人，副研究员，硕士，长期从事巷道支护的研究与推广工作。

[基金项目]国家自然科学基金委员会与神华集团有限责任公司联合资助项目(U1261211)；中国煤炭科工集团科技创新基金面上项目(2013MS010)；天地科技股份有限公司科技创新基金项目(KJ-2014-TDKC-01)

[收稿日期]2015-04-20

[中图分类号]TD844

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2015)05-0070-04