石灰岩顶板综采工作面水力压裂放顶技术实践

高李王

（山西煤炭运销集团锦瑞煤业有限公司，山西 吕梁 033000）

采空区悬顶面积大、来压步距长、强度大，严重影响工作面安全生产。水力压裂治理坚硬顶板是近年来煤矿坚硬顶板治理的新技术，已在我国多个矿区进行应用，主要用于工作面初采放顶[1-2]，进、回风隅角悬顶治理，工作面坚硬顶板治理，以及切顶卸压等。本文通过锦瑞煤业水力压裂放顶技术实践，可为同矿区类似条件工作面顶板治理提供参考借鉴。

1 工程概况

锦瑞煤业为山西煤炭运销集团兼并重组矿井，开采5～9号煤层，生产能力1.2 Mt/a，矿井为低瓦斯矿井。8101综采工作面主要开采8号煤层，煤层属自燃煤层，煤尘具有爆炸危险性。8号煤厚度1.2～3.5 m，平均厚度3.2 m，倾角为0°～11°，平均3°，含0～3层夹矸，厚0.05～0.39 m，岩性为泥岩或炭质泥岩，煤层顶板为石灰岩，底板为细砂岩（煤层顶底板岩性见表1）；该工作面倾斜长255 m，走向长848 m，工作面埋深237～320 m，工作面为综采一次采全高开采，全部垮落法管理顶板。工作面运输顺槽净宽5.2 m，净高3.0 m，净断面积15.6 m2；回风顺槽净宽4.5 m，净高3.0 m，净断面积13.5 m2；切眼净宽7.5 m，净高3.0 m，净断面积22.5 m2。根据巷道掘进揭露，工作面400～440 m处有一5°～8°的褶曲构造，运输顺槽130 m处存在一条正断层，断层的断距为1 m，无陷落柱。

表1 8 号煤层顶底板情况

名称 岩石名称 厚度/m 岩性特征伪顶 无 无 无直接底 砂纸泥岩、泥岩10.55～13.76灰黑色，半坚硬，性脆，含丰富的植物叶部化石。

2 水力压裂方案

锦瑞煤业8101工作面直接顶和老顶均为石灰岩，石灰岩总厚度最大为13.88 m，石灰岩存在一定裂隙，但由于其整体强度高，在工作面回采期间坚硬顶板不易垮落，造成工作面采空区大面积悬顶，初次来压及周期步距长，来压显现强烈；且在工作面正常回采期间，进、回风隅角端头易出现大面积悬顶，空顶面积较大，易形成瓦斯积聚，影响工作面安全回采。因此，需对工作面坚硬石灰岩顶板进行弱化治理，减小工作面初次来压和周期来压步距以及上下隅角的悬顶面积。

2.1 压裂钻孔布置

为了弱化工作面坚硬石灰岩顶板，需对工作面煤层上覆石灰岩进行整体弱化处理，水力压裂钻孔垂直布置深度应大于顶板石灰岩厚度13.88 m，据此确定，水力压裂钻孔垂直深度不小于16 m。压裂钻孔布置分为切眼钻孔和顺槽钻孔。

（1）切眼钻孔

8101工作面切眼钻孔位于切眼顶板，分两排布置，一排靠近采空区侧巷帮，一排靠近工作面煤壁侧巷帮，具体布置参数如下：①采空区侧顶板钻孔开孔位置距巷帮1 m，钻孔水平投影与切眼轴向平行，仰角为75°，钻孔孔深为17 m，钻孔直径为75 mm，钻孔间距为10 m，两侧钻孔距两侧顺槽巷帮分别为12 m和12.7 m；②工作面煤壁侧顶板钻孔开孔位置距煤壁1 m，钻孔垂直于煤壁向前，仰角为45°，钻孔孔深为23 m，钻孔直径为75 mm，钻孔间距为10 m，两侧钻孔距两侧顺槽煤体侧巷帮分别为7.5 m。钻孔布置见图1和图2。

图1 工作面钻孔布置平面

图2 切眼钻孔剖面

（2）顺槽钻孔

为解决工作面周期来压步距大、来压强烈以及上、下隅角悬顶面积大的问题，顺槽巷道钻孔也分两排布置，一排位于工作面顺槽煤体侧巷帮顶角，一排位于工作面顺槽远离工作面侧巷帮顶板，具体参数如下：①顺槽煤体侧巷帮水力压裂钻孔位于巷道顶角处，钻孔水平投影与顺槽巷道轴向成75°夹角向采空区侧倾斜，仰角为30°，钻孔孔深为32 m，钻孔直径为75 mm，钻孔间距为10 m，钻孔距切眼煤壁25 m开始施工；②远离工作面侧巷帮顶板钻孔距巷帮0.5 m，钻孔水平投影与巷道轴线平行，仰角为75°，钻孔孔深为17 m，钻孔起始位置距采空区侧巷帮5 m开始施工，钻孔间距为10 m。钻孔布置见图1和图3。

图3 顺槽钻孔剖面

2.2 水力压裂工艺

切眼内水力压裂施工在工作面安装支架前进行，顺槽内钻孔水力压力施工需超前工作面不少于50 m进行施工。钻孔内水力压裂采用倒退式施工，由内往外每隔3 m进行一次压裂。为保护巷道顶板支护系统，防止切眼及顺槽巷道顶板失稳，锚索支护范围内不进行水力压裂施工，因此确定，各压裂钻孔孔口8 m不进行压裂施工，17 m钻孔压裂3次，23 m钻孔压裂5次，32 m钻孔压裂8次。

压裂施工时先采用封孔器进行封孔，封孔水压为10 MPa；再采用高压泵进行水力压裂，保压时间根据现场情况确定，一般不小于30 min，如果巷道顶板、巷帮或钻孔中出现大量返水，则停止本次压裂施工，退出进行下一次压裂。

3 效果分析

3.1 来压观测分析

锦瑞煤业8101工作面采用水力压裂进行工作面顶板弱化处理后，对工作面回采期间液压支架压力进行统计分析，工作面老顶初次来压步距为28.5 m，且工作面初采过程中支架压力较为平稳，最大支架压力为5619 kN；工作面周期来压步距为13.8 m，周期来压时最大支架压力6120 kN。可见，高压水力压裂使顶板岩层裂隙贯通，破坏了顶板的完整性，坚硬石灰岩顶板得到有效弱化，减小了工作面采空区悬顶面积，降低了初次来压和周期来压步距，工作面矿压显现强度降低。

3.2 进、回风隅角悬顶

在工作面回采期间对工作面进、回风角悬顶长度进行观测统计，进、回风隅角悬顶长度为2～4 m，悬顶面积为4～8 m2，进、回风隅角悬顶面积得到控制，有利于工作面回风隅角瓦斯管理。

4 结语

1） 锦瑞煤业8101工作面采用高压水进行顶板压裂后，工作面老顶初次来压步距为28.5 m，周期来压步距为13.8 m，工作面来压步距均得到降低；且进、回风隅角悬顶面积得到有效控制，悬顶面积为4～8 m2，有利于工作面回风隅角瓦斯管理。

2）通过试验，水力压裂可使顶板岩层裂隙贯通，破坏了顶板的完整性，有效弱化工作面坚硬顶板，是一种绿色、安全的坚硬顶板治理技术，且其适用范围广泛，更可适用于高瓦斯矿井。