水力压裂技术在布尔台煤矿顶板控制中的研究及应用

焦乐

摘 要：针对采空区顶板厚度大、硬度高、难垮落带来的冲击压力问题，本文以神东矿区布尔台煤矿42106综放工作面为工程背景，提出高压水力致裂控制顶板技术，有针对性地设计了具体的实施方案并应用于工程实际。通过理论分析、现场观测和数据对比等研究方法，得出水力致裂技术可有效弱化顶板难垮落岩层，减小垮落步距，抑制巷道变形，防止顶板冲击压力的产生，保证了工作面的安全高效生产。

关键词：水力压裂技术；顶板控制；煤矿

中图分类号：TD327.2 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）14-00108-03

Research and Application of Hydraulic Fracturing

Technology in Roof Control of Botai Coal Mine

JIAO Le

（1.School of Energy Science and Engineering， Henan Agricultural University，Jiaozuo Henan 454000；

2.State Energy Group Shendong Coal Company， Botai Coal Mine，Ordos Inner Mongolia 017200）

Abstract： In view of the impact pressure caused by the large thickness， high hardness and hard collapse of the roof of the goaf， the high pressure hydraulic fracturing control roof technology was put forward based on the engineering background of the 42106 fully mechanized caving face in the boolai coal mine， Shendong mining area. The concrete implementation scheme was designed and applied to the engineering practice， and the theory was adopted. Through the theoretical analysis， field observation and data comparison and other research methods， it was concluded that hydraulic fracturing technology could effectively weaken the roof of the roof， reduce the fall distance， restrain the deformation of the roadway， prevent the impact pressure of the roof， and ensured the safe and efficient production of the working face.

Keywords： hydraulic fracturing technology；roof control； coal mine

在我国煤矿开采作业过程中，采煤工作面通常采用全部垮落法進行采空区顶板管理。全部垮落法顶板控制的优点是：顶板岩石随采随冒，工作面附近应力及时释放，由于冒落岩石的碎涨性，能及时支撑上覆岩层结构，保障了工作面作业的安全性。然而，由于覆岩结构及岩性的差异，国内一些煤矿采空区顶板无法实现随采随冒，如顶板岩石强度较大、老顶厚度较厚、采动影响下节理裂隙不发育和整体性强等岩性因素，造成工作面采空区顶板大面积悬露，短时间内无法垮落填充采空区[1，2]。随着工作面的持续推进，顶板悬露达到一定距离或面积时大规模垮落，对工作面形成强烈的冲击压力，危及工作面作业人员、设备及上下巷支护设施的安全，严重影响煤矿的安全生产。为此，针对这类厚度大、强度高和难垮落顶板，开展采空区顶板控制技术的研究具有重要的实际意义。

1 工程概况

神东矿区的布尔台煤矿是一座年产千万吨的特大现代化矿井。目前开采的42煤层埋深较大，42106综放工作面平均埋深440m，工作面倾向长度309m，走向长度5 073m。在开采过程中，根据地质资料可知，工作面直接顶为砂质泥岩，厚度为5～25m，老顶为细砂岩，厚度为6～39m，顶底板柱钻孔综合状图见图1所示。工作面初次来压步距为40m左右，工作面来压期间支架平均载荷456.3bar，最大压力520bar；工作面周期来压步距为16.8m左右，来压期间支架平均载荷397bar，最大压力508bar。由于老顶厚度较大，结构比较完整，不易断裂，随采动冒落的直接顶砂质泥岩不能完全充填采空区，造成冲击压力严重，42106回风顺槽矿压显现强烈，底板和两帮鼓起严重，部分锚杆锚索失效，顶板下沉明显，给工作面的安全生产造成严重威胁。为有效防止顶板事故的发生，矿方引进水力压裂技术来弱化顶板，以期实现工作面的安全高效生产。

2 水力压裂顶板控制技术研究

2.1 水力压裂技术原理

水力压裂顶板控制主要是通过在坚硬岩层中布置钻孔，高压水通过预先作业的钻孔注入岩体内部，在高压作用下，坚硬岩层中的裂隙会被扩张、岩石强度被弱化，进而产生更多的裂隙，原有坚硬岩层的完整性遭到破坏，使顶板能随着工作面的推进及时垮落，减小顶板来压强度，防止顶板大面积垮落造成的冲击压力。达到顶板垮落的安全及有效控制，保障作业人员及设备的安全。

2.2 水力压裂技术方案设计

为了削减侧向支承压力及超前支承压力对回风顺槽、工作面的影响，卸载顶板内储存的高应力弹性能，设计在工作面回风顺槽内向上覆岩层实施水力压裂钻孔，目的是压裂基本顶岩层，关键是设计合理的钻孔位置和范围，有效实施超前水力预裂，预先释放老顶中积聚的弹性能。方案设计如下。

在42106回风顺槽320～1 110m段进行高压水预裂施工。压裂钻孔布置分为2类：一类是在垂直顺槽轴向方向布置压裂钻孔S；另一类是沿顺槽轴向方向布置压裂钻孔L，与轴向夹角10°布置。两类钻孔的开孔位置均相距15m，钻孔深度为40.5m，每次压裂时间为30min。巷道及钻孔布置如图2所示。正帮侧钻孔-S，钻孔长度40.5m，倾角50°，见图3；副帮侧钻孔-L，钻孔长度40.5m，倾角50°，见图4；巷道轴向方向钻孔布置剖面图如图5所示。

3 水压致裂现场应用及效果分析

将上述设计方案应用于42106综放工作面回风顺槽，超前工作面实施水压致裂，当工作面推进至320m时，顶板进入水预裂区域。根据现场观测，巷道高度及宽度变化如图6和图7所示。

从图中可以看出，经过高压水预裂的区域顶底板移近量及两帮移近量明显减小，未采取水压致裂时巷高最小达2.3m，巷宽最小为3.5m，而回风顺槽设计净高3.6m，净宽6m。可见，实施水力压裂后明显抑制了巷道的变形，从数据上看改善了近一倍；从現场来看，42106回风顺槽来压较未预裂前频繁了，来压步距有所减小，来压强度也相应减弱，未出现特别剧烈来压现象。

压裂后，机尾及回顺顶板可及时垮落，避免大面积悬顶的形成，从根本上削弱了强烈矿压形成的条件。工作面实测悬顶面积见图8。从图8可知，水力压裂有效削弱了顶板岩层中赋存的高应力，释放了存储在顶板岩层中的弹性能，避免能量突然释放引起围岩剧烈变形，压裂范围内顶板的岩爆声也大幅降低。

4 结语

通过对42106工作面回风顺槽上覆岩层实施高压水力压裂技术，对比未实施水力压裂技术的现场数据，得出如下结论。

①通过顶底板位移量及两帮位移量的持续观测，实施水力压裂后，巷道顶底板及两帮移近量改善了一倍，有效保障了巷道的围岩状况及巷道使用功能。

②通过对顶板悬露岩层的测量，实施水力压裂后，顶板悬露面积不超过200m2，未实施水力致裂悬露面积大于1 600m2。比较可知，高压水压预裂能有效软化顶板，减小老顶悬露面积，防止冲击压力的产生。

③通过现场应用可以看出，实施水力致裂从根本上解决了顶板岩层内部高应力的突然释放，改变了顶板岩层结构和岩石力学性能，从根本上实现了弱化顶板岩层、削弱岩层中的高应力，保证了工作面安全高效生产。

本文通过对水力致裂顶板控制进行研究和应用，可以为同类顶板的矿井安全生产提供技术参考和经验，具有较大的推广意义。

参考文献：

[1]安佰健.综采工作面顶板管理中水压致裂技术的运用[J].内蒙古煤炭经济，2017（17）：135-137.

[2]黄炳香，赵兴龙，陈树亮，等.坚硬顶板水压致裂控制理论与成套技术[J].岩石力学与工程学报，2017（12）：2954-2970.