坚硬顶板回采工作面水力压裂控顶技术研究

张铁刚

【摘 要】 为了解决坚硬顶板回采工作面开采时面临的顶板垮落困难、垮落步距大、矿压显现明显等问题，根据6508回采工作面地质、开采条件采用水力压裂技术对顶板进行压裂，并对压裂后的顶板垮落、来压情况以及初次来压步距等进行分析。结果表明：水力压裂后的采面初次来压步距平均在44.5m，较采用预裂爆破技术来压步距缩短8m，同时避免预裂爆破带来的安全隐患大、爆破动压明显等问题，具有施工安全、工作量小、施工速度快、顶板控制效果显著等优点，可以有效解决坚硬顶板工作面顶板难垮落问题，为矿井实现高效开采创造良好条件。

【关键词】 坚硬顶板;水力压裂;顶板控制;矿压;来压步距

【中图分类号】 TD32 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2020）02-0010-03

我国煤炭开采顶板管理一般采用全部垮落法，但当煤层顶板坚硬、节理裂隙不发育时，顶板不能随煤层开采后及时垮落，大面积悬露于采空区内。一旦垮落会出现强烈的矿压显现，甚至顶板垮落带来的飓风会冲垮回采工作面、造成风流逆转，给矿井生产埋下安全隐患。众多的研究学者对坚硬顶板控制展开研究，潘岳等从理论方面出发，对坚硬顶板煤层回采期间老顶断裂时的能量变化进行计算求解;于斌等以塔山礦K3砂岩老顶为研究对象，对水力压裂影响范围进行研究;黄炳香等在分析煤、岩体力学结构基础上，对水力压裂裂缝扩展进行研究，并提出对应的裂缝扩展控制技术，并在现场应用。基于此，文中以山西某矿6508回采工作面为研究对象，将水力压裂技术应用到坚硬顶板控制方面，以期能降低顶板下沉垮落期间引起的矿压显现，实现采面安全生产。

1工程概况

6508回采工作面开采6号煤层，埋藏深度在340～380m，采面倾向长300m，走向长2600m，煤层及顶底板岩性见图1。6号煤层直接顶泥岩，抗压强度在4.3～17.6MPa，普氏系数（f值）在0.83～2.65;老顶为坚硬细粒砂岩，裂隙及节理不发育，抗压强度在84.9～167.7MPa，普氏系数（f值）在9.17～16.32，平均13.6。根据以往开采经验，采面推进50m时，老顶仍不能及时垮落，需要采用深孔爆破方式强制放顶。但是采用深孔爆破存在安全隐患大、爆破动压明显，爆破产生有毒有害气体等问题。因此，在6508回采工作面采用水力压裂控顶技术。

2水力压裂控顶技术

2.1压裂钻孔布置方案

6508回采工作面老顶为厚度在13m左右坚硬砂岩，整体性强，裂隙、节理不发育，顶板初次垮落时需要采用顶板软化措施。根据回采工作地质、巷道布置情况以及有关水力压裂技术研究成果，对采面水力压裂钻孔进行设计，具体为：

在回采工作面开切眼内施工压裂钻孔L、S，并在回采巷巷道内布置两个压裂钻孔A，压裂钻孔布置见图2。

在切眼内施工22个S钻孔，钻孔倾角40°，深度33m，钻进长度共计726m，具体布置见图3（a）;布置17个L钻孔，钻孔倾角25°，深度35m，钻进长度共计595m，具体布置见图3（b）。在回采巷道内布置A钻孔（A1-A4），倾角20°，孔深47m，钻进长度共计188m，具体布置见图3（c）。

2.2水力压裂钻孔施工工艺

采用普通回转钻机施工水力压裂钻孔，在钻孔内安设封孔器，通过储能器以及手动泵实现钻孔封孔，最后连接高压水泵进行水力压裂。钻孔钻进可以与水力压裂工作平行开展，但是作业间间距应控制在50m以上。压裂采用3ZSB80/62-90高压水泵，电机功率为90kW。

压裂时水泵进水端为静压水，出水端与高压胶管采用A型扣压连接;高压胶管另一端与注水钢管用快速连接方式连接。检查连接管路密闭性，确认连接密实后高压水泵通水后试运行，无故障时正式压裂。

在水力压裂设备、管路连接、安装、调试等工作完成后，将密封器推至压裂位置，对封孔器进行加压，观察钻孔及压力表，核验封孔器是否保压。若压力降低明显或钻孔内有水流溢出表明压裂钻孔封孔失效，需要对封孔器本身、各连接处进行检查，确保钻孔封孔正常后方可继续压裂。

在压裂中距压裂孔50m外设警戒线，确保压裂期间无其他相关人员通过，压裂操作人员应在距离压裂孔外20m且支护条件良好位置。高压水泵开始压裂后应缓慢加压，同时记录高压水泵、手动泵压力变化情况，继续增加水泵压力直至砂岩被压裂出缝隙，此时压力会突然降低，继续保压注水从而使得裂缝扩展得以继续，实现软化顶板坚硬砂岩目的。当监测孔内有大量压裂水流出时，可停止压裂，具体停止顺序为：高压水泵断电→停水→封孔器卸压→退出钻孔。最后采用钻孔窥视仪对水力压裂效果进行窥视。

3压裂效果分析

3.1顶板垮落情况

2019年6月26日，6508回采工作面机头推进至11m位置、机尾推进至7m位置处时，采面中部32～128号支架顶板开始垮落;27号机头推进至12.8m、机尾推进至8.8m位置处时，采面机头处3～32号、机尾129～173号支架顶板开始垮落;机头推进至21m、机尾推进至18m位置时，采面两侧顶板垮落，此时采空区老顶全部垮落，具体采面推进过程中老顶垮落记录情况见表1。

3.2采面老顶来压

回采工作面回采推进过程中，每隔9个液压支架布置一个压力计对支架工作阻力进行监测，具体监测结果见图4。

7月2日回采工作面机头推进至36.5m、机尾推进至32m位置时，采面10～22号支架率先来压，工作阻力为38.6MPa，煤壁出现片帮（深度100mm以内），10号、15号支架安全阀开启。

7月4日回采工作面机头推进至48.6m、机尾推进至38.5m位置时，采面25～33号、60～83号、125～138号支架来压，工作阻力为39.5MPa，煤壁出现片帮（深度100～150mm），部分支架出现漏矸现象，32、62、65等支架安全阀开启。