水力压裂技术在锦界煤矿初次放顶中的应用

孙连胜，齐海清，冯彦军，宋桂军

(1.神华神东煤炭集团公司 锦界煤矿，陕西 神木 719319；2.何家塔煤矿，陕西 神木 719315；

3.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；4.神华神东煤炭集团公司，陕西 神木 719315)



水力压裂技术在锦界煤矿初次放顶中的应用

孙连胜1，齐海清2，冯彦军3，宋桂军4

(1.神华神东煤炭集团公司 锦界煤矿，陕西 神木 719319；2.何家塔煤矿，陕西 神木 719315；

3.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；4.神华神东煤炭集团公司，陕西 神木 719315)

[摘要]针对神东矿区顶板岩层强度不高、厚度较大、稳定性和整体性较好的特点，开展了水力压裂技术在神东矿区初次放顶中的应用研究。根据神东矿区顶板岩层特点和初次放顶存在的问题，选取神东锦界煤矿31405工作面为水力压裂初次放顶试验点，采用岩层结构调研、井下试验及监测相结合的方法，研究了压裂对顶板岩层的弱化及初次垮落的作用。监测结果表明，压裂过程中水压最大为22MPa，最小为8MPa，流量为80L/min。工作面推进约10m后顶板开始分层分次垮落，推进至40m基本顶垮落。工作面初次垮落过程未形成冲击，未对工作面产生影响，实现了工作面初采安全，水力压裂控顶达到了预期效果。

[关键词]水力压裂；初次放顶；井下试验

[引用格式]孙连胜，齐海清，冯彦军，等.水力压裂技术在锦界煤矿初次放顶中的应用[J].煤矿开采，2015，20(6)：97-100.

神东公司矿井采煤工作面采煤方法为综合机械化长壁式采煤法。工作面长度一般为240～320m，采高为1.7～7.0m不等。工作面顶板大部分为强度不高，但是厚度较大、整体性和稳定性较好的中等稳定岩层，初次来压步距一般为40～55m。工作面初采时，90%以上的工作面需要实施爆破强制放顶，否则易造成工作面顶板大面积悬空，一次性垮落时往往伴随强烈的动力现象，造成设备损坏、危及人身安全等恶性事故，严重影响矿井的安全生产[1- 2]。

目前，针对此类难垮顶板，神东公司各矿井采用爆破的方法控制综采工作面顶板的初次垮落，炮眼直径一般为75mm，炮眼长度一般为18～32m，炮眼数量根据工作面长度确定，一般为30～35个，放顶一次装药量为1.5t左右，炸药为矿用乳胶炸药，利用导爆索、电雷管起爆。采用爆破方法进行初次强制控顶，主要存在以下不足[3-4]：炸药使用量、装药量较大，因为炮眼较长，装药困难且存在一定的安全隐患；一次性引爆产生的大量CO等有毒气体，严重污染井下空气，威胁工人生命安全；在高瓦斯矿井或煤层中应用爆破时，需采取防止瓦斯或煤尘爆炸的措施；爆破震动易对工作面支架和地面及周边环境安全构成一定威胁。因此，爆破控顶已经无法满足神东矿区安全、高效生产的需求。定向水力压裂作为一项经济有效的坚硬、难垮顶板控制技术[5-8]，可有效避免爆破控顶的不足。该技术安全性高、工艺简单，已在国内部分煤矿的顶板控制中得到推广应用[9-10]，取得了良好的技术经济效益。

基于上述背景，针对神东矿区顶板岩层条件，本文选择神东锦界煤矿为研究试验点，开展综采工作面水力压裂初次放顶应用研究。通过理论分析、顶板岩层调查、井下试验及监测相结合的方法，以期解决锦界煤矿以及神东矿区类似条件下综采工作面初次放顶存在的问题。

1工作面及顶板岩层

神东锦界煤矿31405工作面位于四盘区31煤辅运大巷东侧。北邻已经形成的31406工作面，南为正在回采的31404工作面，东邻凉水井煤矿，西为31煤辅运大巷。工作面宽度266m，煤层厚度稳定，平均厚3.23m。煤层倾向北西，倾角1°，整体呈宽缓的单斜构造，局部出现波状起伏，总体构造简单。31405工作面切眼基岩总厚度25m左右，属于薄基岩。煤层伪顶是0.5m厚的泥岩，含水平层理；直接顶为5.45m厚的粉砂岩，含小型交错层理，裂隙发育；基本顶为9.89m的中砂岩或粉细砂岩，块状层理[11]。对顶板12m范围岩层结构进行窥视，结果见图1。从窥视结果可知，顶板岩层岩性为粉细砂岩，致密完整，含少量层理，夹层较薄。

图1　顶板岩层结构

2顶板岩层水力压裂工艺

工作面水力压裂初次放顶技术是在工作面切眼形成之后，在工作面支架、刮板输送机及采煤机等采煤设备安装之前，对工作面顶板实施水力压裂作业。在回采之前预先弱化顶板岩层，待工作面回采后顶板岩层可自行、及时垮落，保证初采安全。水力压裂初次放顶工艺过程见图2。

图2　水力压裂初采放顶工艺

3井下试验

3.1压裂钻孔布置

压裂钻孔参数及其布置方式由顶板岩层结构、厚度、煤层厚度、采高及岩石强度确定[12-13]。压裂所需的压力可由最大拉应力准则确定，当钻孔孔壁的最大拉应力σmax达到顶板岩石的抗拉强度σt时，即σmax=σt，水力裂缝处孔壁起裂。

最大拉应力σmax与地应力大小、方向及水压有关。

压裂钻孔布置原则[14]：顶板岩层经过压裂弱化后，可有效控制工作面顶板初次垮落，通过削弱顶板岩层的整体性和稳定性，使工作面顶板初次垮落呈分层、分次及时垮落。同时，避免给工作面的正常回采带来影响；避免由于过度压裂和软化导致工作面顶板维护困难；避免由于水力压裂给顶板管理带来困难；避免其他可能的灾害。根据顶板岩层结构和岩层厚度确定压裂的次数。钻孔布置及参数见图3。钻孔参数为：压裂钻孔-S，钻孔长度25m，倾角为40°；压裂钻孔-L，钻孔长度34m，倾角为15°；压裂钻孔-B，钻孔长度30m，倾角为30°。

图3　压裂钻孔布置及参数

3.2压裂监测结果与分析

压裂过程中，监测水压与流量变化，观测顶板及附近钻孔、锚杆锚索出水情况，从而确定压裂停止时机。锦界煤矿31405切眼顶板压裂压力与流量监测数据见图4。S孔的扩展压力约为12MPa，见图4(a)，L孔的扩展压力约为22MPa，见图4(b)。

图4　压裂压力与流量曲线

从压裂曲线可以看出，压裂过程中，流量基本保持不变，为80L/min，压力最大约22MPa，最小约8MPa。在裂缝扩展过程中，压力变化较小，裂缝基本以恒定压力向前扩展，说明顶板岩层原始裂隙不发育，岩层较为稳定，裂缝可以实现大范围扩展。压裂过程中也会出现压力突变的情况，见图4(c)，这是由于水力裂缝扩展过程中遇到天然裂隙或弱化带导致的。

试验采用单孔多次压裂，可以将厚而稳定的顶板岩层分为多层，有效弱化顶板岩层的整体性和稳定性，有利于顶板及时垮落[14-17]。

通过观察顶板、锚杆锚索出水情况，判断水力裂缝扩展情况。在压裂L1过程中，首先在S2钻孔中观察到有水流出，随着压裂位置向孔口移近，S1和B孔都有水流出，说明裂缝的扩展范围至少可达35m。压裂位置距离为9m时，压裂过程中L1孔附近约为4根锚索开始出水，此时停止L1孔的压裂。

在L孔的压裂过程中，压裂位置距离孔口大于23m时，附近钻孔出水量一般较小，锚索很少出水。当压裂位置距离孔口小于15m时，出水锚索的数量较多，并且出水量往往较大。

在S孔压裂过程中，附近钻孔的出水量一般较大，并且相邻钻孔基本都有水流出，说明水力裂缝扩展半径至少可达20m。

4顶板垮落效果

31405工作面于2015年7月24日开始试采，7月26日工作面推进约10m时，直接顶基本垮落完成，垮落岩石可将支架覆盖。垮落过程为直接顶首先从工作面中部开始垮落，随后缓慢向两侧扩展。垮落特点为分层分次逐步垮落，未形成冲击，未对工作面产生影响，整个垮落过程极为温和。7月28日，工作面推进至40m时，基本顶来压，支架工作阻力缓慢升高，基本顶来压未对工作面产生冲击和影响。因此，采用水力压裂弱化工作面顶板岩层后，随着工作面回采，顶板能够及时、分层分次逐步垮落，满足初次放顶要求，保证工作面初采安全。

5结论

(1)锦界煤矿顶板岩层水力裂缝的扩展范围为20～35m。

(2)锦界煤矿水力压裂的水压约为8～22MPa，流量约为80L/min。工作面推进约10m后直接顶全部垮落，推进约40m后基本顶垮落。

(3)水力压裂弱化顶板岩层后，顶板垮落呈现出及时、分层分次逐步垮落特点，垮落过程未对工作面产生冲击和影响。

(4)针对锦界煤矿及类似顶板矿井，水力压裂是一种有效可行的工作面初次放顶技术。

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[责任编辑:潘俊锋]

Application of Hydraulic Fracturing in First Caving of Jinjie Coal Mine

SUN Lian-sheng1，QI Hai-qing2，FENG Yan-jun3，SONG Gui-jun4

(1.Jinjie Coal Mine，Shenhua Shendong Coal Group Co.,Ltd.，Shenmu 719319，China；2.Hejiata Coal Mine，Shenmu，

719315，China；3.Coal Mining and Designing Department，Tiandi Science and Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China;

4.Shenhua Shendong Coal Group Co.,Ltd.,Shenmu 719315,China)

Abstract：The investigation into hydraulic fracturing employed in first roof caving of Shendong mining district was carried out，where the rock strata is low strength，thick，intact and stable.Therefore，hydraulic fracturing used for roof first caving in 31405 working face of Jinjie coal mine of Shendong coal mine district was conducted according to the strata features and existing problems in roof first caving of working face.A comprehensive investigation based on strata structure survey，underground test and monitoring was implemented to analyze the effect of hydraulic fracturing on the weakening of rack mass and first caving of working face.The monitoring results imply that the maximal water pressure was 22MPa and the minimum was 8 MPa，the flow rate was 80L/min.The immediate roof and the main roof began to fall as the working face advanced 10m and 40m，respectively.During the process，induced impact load was little on the working face and the expected effect of roof first caving in terms of hydraulic fracturing was achieved.

Key words：hydraulic fracturing；roof first caving；underground test

[作者简介]孙连胜(1973-)，男，河北兴隆人，高级工程师，工程硕士，锦界煤矿总工程师，主要从事煤矿生产管理与技术研究工作。

[基金项目]天地科技股份有限公司开采设计事业部科技创新基金项目青年创新(KJ-2015-TDKC-15)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.026

[收稿日期]2015-08-14

[中图分类号]TD327.2

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2015)06-0097-04