水力压裂在酸刺沟煤矿初次放顶中的应用

冯彦军，周瑜苍，刘　勇，李　渊，王志超，马　冰，段书武

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.内蒙古伊泰京粤酸刺沟矿业有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017209)



矿山压力与灾害控制

水力压裂在酸刺沟煤矿初次放顶中的应用

冯彦军1，周瑜苍2，刘勇1，李渊2，王志超1，马冰1，段书武1

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.内蒙古伊泰京粤酸刺沟矿业有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017209)

针对酸刺沟煤矿4号煤与6号煤顶板岩层与工作面初采特点，分析顶板岩层水力压裂的分层弱化与初次垮落特点。通过观察顶板岩层结构和监测水力裂缝扩展、水压变化以及顶板垮落情况，确定钻孔与压裂参数。研究结果表明：采用单孔多次压裂方法可有效弱化、分层顶板，顶板分层、分区域、分次及时垮落，保证工作面初采安全；对于4号煤顶板，压裂钻孔间距为10m，水压为10～20MPa；对于6号煤顶板，压裂钻孔间距为8～10m，水压为13～30.8MPa。与爆破强制放顶方法相比，水力压裂初次放顶法更为安全、合理。

水力压裂；强制初次放顶；顶板岩层弱化

水力压裂技术在我国煤矿井下的研究已经较为丰富，其应用也极为广泛。通过对煤岩体实施水力压裂作业，可以达到提高瓦斯的渗透性[1-3]、提高综放工作面坚硬顶煤的冒放性[4]、防止冲击地压[5- 6]等目的。近几年来，水力压裂技术在坚硬难垮顶板的控制中表现出一定的优越性[7-9]，已经在晋城、神东等矿区推广应用。

酸刺沟煤矿主采煤层为4号煤和6号煤，通常采用爆破方法强制放顶，否则易造成大面积悬顶来压，严重影响人员与设备安全[10]。爆破强制放顶是在工作面支架推出切眼后，在支架后方装药爆破，实施放顶作业。在此过程中，工作面无法正常回采，爆破产生大量有毒有害气体，危及工人生命安全，同时爆破产生的震动会对工作面支架产生较大影响。因此，针对酸刺沟煤矿初次放顶存在的问题，根据煤顶板岩层及开采条件，通过对顶板岩层实施水力压裂弱化处理，分析水力压裂在酸刺沟煤矿工作面初次放顶中的适应性。分别在4号煤4203工作面和6号煤6上115面顶板进行压裂作业，监测水压、水力裂缝扩展以及工作面初采时顶板垮落情况，评价水力压裂在初次放顶中的作用，并在安全性和合理性方面与爆破强制放顶方法进行对比。

酸刺沟煤矿6煤(煤层厚度平均为10m)采用综采放顶煤方法开采，初次垮落时空间大，一次垮落时排出空气量和冲击较大。为了保证水力压裂初次放顶试验的安全性并掌握酸刺沟煤矿顶板垮落的规律，首先在4203综采工作面(煤层厚度为3.6m)实施水力压裂初次放顶试验，为6煤水力压裂初次放顶奠定基础。

1　4203工作面顶板压裂

1.1工作面条件

4203工作面煤层平均厚度3.6m，煤层倾角2°，工作面倾向宽度240m。东至4203辅运巷，西至4203胶运巷，南至4203切眼，北至4203主回撤通道。东邻4201工作面，西邻未开采煤体。

根据钻孔柱状，工作面直接顶为4m深灰色泥岩，基本顶为7m粗粒含砾砂岩，灰白色，局部为粉砂岩、细砂岩。

初次垮落前顶板类似为固支梁，其初次来压步距Lf由下式确定：

Lf=h(2Rt/q)1/2

(1)

式中，h为基本顶厚度，取9m；Rt为基本顶抗拉强度，取2.5～3.8MPa；q为基本顶岩层承受载荷，根据组合梁原理，取205kPa。可得工作面初次来压步距约为：Lf=44～54m。

根据顶板岩层结构确定压裂位置和压裂次数(图1)。选择完整段实施压裂，避免在裂隙或岩层交互位置压裂。采用倒退式压裂法，由钻孔深部向孔口位置逐次压裂。最后一次压裂位置选择在距离孔口4m以上，避免工作面回采到该位置时支架前方漏顶。

1.2压裂设计

水力压裂初次放顶作业是在工作面切眼支护完成之后，在支架及采煤设备安装之前，对工作面煤体上覆顶板岩层进行水力预裂，提前在顶板中形成人为裂缝，弱化顶板的完整性及其整体强度，工作面初采时顶板能够及时垮落。

图1　顶板岩层结构

根据工作面顶板岩层结构、层厚、采高(影响高度为其4～6倍)等参数，确定4203工作面水力压裂设计见图2。钻孔参数为：

(1)压裂钻孔S的长度为26m，倾角为45°，见图2(b)。

(2)压裂钻孔L的长度为37m，倾角为30°，见图2(c)。

(3)备用钻孔长度50m，倾角30°，与煤壁夹角75°。

1.3顶板压裂与顶板垮落

采用单孔多次压裂方式，从钻孔底部逐步向孔口处逐次压裂，L孔压裂次数约为10次，S孔压裂次数约为7次。备用孔不实施压裂，用于顶板无法及时垮落时使用。压裂时间根据钻孔周围钻孔以及锚索出水情况确定，当出水量与进水量(80L/min)相当时，停止压裂作业。

压裂过程中，监测水压变化，水压大小为10～29MPa，典型压裂曲线见图3，通过监测水压分析裂缝扩展情况。压裂开始时，水压上升较快，裂缝通常以较高水压起裂，随后压力小幅下降，以稳定水压开始扩展，表明顶板岩层较为致密完整，天然裂缝不发育，水力裂缝可在顶板岩层中大范围扩展，一段时间后临近钻孔有压裂水流出并逐渐增大，表明裂缝扩展范围可达10m。

图3　4203工作面压裂水压变化

4203工作面顶板经水力预裂后安装采煤设备并进行初采，工作面推进13m时直接顶全部垮落，推进约40m时基本顶垮落。顶板垮落过程呈现出分层、分次、及时逐步垮落的特点，垮落过程中未形成飓风，未对工作面产生冲击，工作面实现了安全初采，表明水力压裂初次放顶技术在酸刺沟4号煤层是可行性的。

2　6上115工作面顶板压裂

酸刺沟煤矿6号煤层厚度约为10m，直接顶为粗砂岩(白色，成分以石英、岩屑为主)，厚度32m，上方为中粒砂岩(白色，厚层状，半坚硬)，厚度4.9m。根据钻孔窥视结果可知，顶板岩层厚度较大、致密完整、整体性和稳定性较好，岩石抗压强度约为30MPa。

针对6号煤层，酸刺沟煤矿采用综采放顶煤采煤法，顶板垮落时采空区空间较大，根据顶板柱状、岩层厚度、采高与顶煤厚度、4203工作面压裂经验，确定6上115工作面水力压裂参数。钻孔参数为：压裂钻孔S的长度为37m，倾角为45°，钻孔间距16～20m；压裂钻孔L的长度为42m，倾角为20°，钻孔间距16～20m；备用钻孔长度46m，倾角30°。L孔与S孔交替布置。典型压裂曲线见图4。

图4　6上115工作面压裂水压变化

从图4看出，水压急剧增大到约20MPa时起裂，产生较小裂缝或使天然裂缝张开，紧接着水压短暂下降后再次迅速上升，达到30.8MPa后裂缝再次起裂，随后水压逐步下降，裂缝开始大范围扩展，扩展过程中水压出现小幅波动，说明顶板岩层中存在少量天然裂缝。此外，6煤顶板压裂水压大于4煤压裂所需水压，是由6煤埋深大于4煤所致。

顶板垮落过程见表1，表1中描述了工作面2个端头和工作面中部顶板垮落情况。工作面推进约9.5m时直接顶从切眼中部分层、分次逐步垮落，垮落矸石厚度可将支架掩盖，在基本顶来压时充当垫层，缓冲基本顶来压强度。工作面2个端头顶板有锚杆、锚索以及煤柱支撑，滞后工作面中部顶板垮落，由于其悬顶面积较小，并且垮落时有煤柱支撑的作用，不会出现大面积一次性垮落的情况。在工作面推进约38m后，基本顶来压，支架工作阻力急剧上升，接近额定工作阻力，工作面煤炮声加剧，来压过程中，未产生强烈冲击，未在机头和机尾处形成飓风，表明水力压裂初次放顶技术能够弱化顶板岩层，达到了预期目标并保证初采安全。

3　与爆破强制放顶比较

酸刺沟矿曾采用切眼和两巷深孔预裂爆破方法进行工作面顶板强制初次放顶[10]。爆破钻孔在工作面设备安装前施工，爆破作业在工作面支架推出切眼后实施。钻孔长度约18m，仰角33°，直径85mm，采用高威力乳化炸药，装药量50.8kg/孔。倾向300m长工作面炸药量约2t。消耗性火工品包括导爆索、雷管、PVC管等，爆破过程中产生的强烈震动影响支架安全，并且需在回风巷多处设置警戒，防止有毒有害气体危害人员安全。

表1　6上115工作面顶板初次垮落过程

与爆破强制放顶相比，水力压裂初次放顶作业是在工作面采煤设备安装前全部完成，不影响工作面连续回采。避免使用大量炸药、雷管等消耗性火工品，水力压裂设备与材料可回收利用。水力压裂作业不会产生震动以及有毒有害气体等安全隐患，安全性大幅提升。

因此，与爆破方法相比，水力压裂技术更加安全、合理。

4　结　论

通过在4203工作面和6上115工作面进行水力压裂初次放顶技术研究，分析水力压裂技术在酸刺沟煤矿初次放顶中的适应性及合理性，该技术在具有致密坚硬、厚且稳定以及裂隙不发育的煤岩体弱化中具有广阔的应用前景，得到如下结论：

(1)采用单孔多次水力压裂方法，可有效弱化厚度大、稳定性和整体性强的顶板岩层。在初采过程中，使其分次、分层及时地分区域逐步垮落，满足初采顶板管理要求。

(2)酸刺沟煤矿压裂钻孔间距约为8～10m，钻孔长度为26～37m，压裂水压约为10～30MPa，压裂次数为7～10次。

(3)与爆破强制放顶方法相比，水力压裂初次放顶技术更为安全、绿色。

[1]林柏泉，孟杰，宁俊，等.含瓦斯煤体水力压裂动态变化特征研究[J].采矿与安全工程学报，2012，29(1)： 106-110.

[2]蔺海晓，苏现波，刘晓，等.煤储层造缝及卸压增透实验研究[J].煤炭学报，2014，39(S2)：432-435.

[3]吕有厂.水力压裂技术在高瓦斯低透气性矿井中的应用[J].重庆大学学报，2010，33(7)：102-107.

[4]邓广哲，王世斌，黄炳香.煤岩水压裂缝扩展行为特性研究[J].岩石力学与工程学报，2004，23(20)： 3489-3493.

[5]张新科.高压水力压裂技术在冲击地压防治中的应用[J].煤矿安全，2010，41(8)：51-52.

[6]郭相斌.煤层定向水力压裂防治冲击地压的试验研究[J].煤炭科学技术，2011，39(6)：12-14.

[7]冯彦军，康红普.定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板试验[J].岩石力学与工程学报，2012，31(6)：1148-1155.

[8]孙志勇，冯彦军，郭相平.凤凰山煤矿坚硬顶板定向水力压裂技术应用研究[J].中国矿业，2014，23(11)： 108-110.

[9]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.

[10]宋占有.酸刺沟矿首采面深孔预裂爆破强制放顶技术[J].煤矿开采，2010，15(4)：103-105.

[责任编辑：潘俊锋]

Application of Hydraulic Fracturing in First Roof Caving of Suancigou Coal Mine

FENG Yan-jun1，ZHOU Yu-cang2,LIU Yong1,LI Yan2,WANG Zhi-chao1,MA Bing1,DUAN Shu-wu1

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.Inner Mongolia Yitai Jingyue Suancigou Mine Co.，Ltd.，Erdos 017209，China)

Based on the characters of roof strata and working face first mining of No.4 and No.6 coal seam of Suancigou coal mine，then the characters of layered weakening and first collapse of roof strata under hydraulic fracturing.Drilling holes and fracturing parameters were determined ，after the roof strata structures，hydraulic cracks developed，water pressure variation and roof collapse situation were observed.The studying results showed that roof strata could be layered and weakening effectively under fractured repeatedly in one hole，roof strata collapse characters as layered，regional，gradation and timely，so working face first mining safety was guaranteed.Fracture holes spacing were 10m and 8～10m，water pressure were 10～20MPa and 13～30.8MPa for No.4 and No.6 coal seam，respectively.Hydraulic fracturing was more safety and reasonable in first roof caving for exploding forced roof caving.

hydraulic fracturing；forced first roof caving；roof strata weakening

2016-03-18

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)

冯彦军(1980-)，男，山西吕梁人，博士，主要从事煤岩体水力预裂弱化技术研究及其推广工作。

TD327.23

A

1006-6225(2016)05-0075-04

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.021

[引用格式]冯彦军，周瑜苍，刘勇，等.水力压裂在酸刺沟煤矿初次放顶中的应用[J].煤矿开采，2016，21(5)：75-78.