综放工作面初采水压致裂技术的应用

秦会锦

(山西潞安集团 蒲县开拓煤业有限公司，山西 临汾 041200)

在综放工作面初采过程中，顶煤及顶板仍然采用支架反复扰动导致顶煤发生破坏，直至垮落。大量实践表明[1-4]，采用支架扰动的方法对于顶煤、顶板破坏垮落的作用有限。若顶煤及顶板不能及时垮落，会导致工作面采空区后方悬顶面积增大，顶煤、顶板初次垮落步距增加，一旦垮落，会形成飓风或者释放出大量瓦斯，影响矿井的安全生产。目前常用的方法主要有深孔预裂爆破法和水压致裂法两种[5]，前者对开切眼顶煤及顶板进行装药爆破，提前破坏顶板完整性，达到缩短悬顶面积的效果，然而爆破实施过程中存在极大的安全隐患。以潞安五阳煤矿7602综放工作面初采顶板管理为研究对象，通过水压致裂技术使得顶煤、顶板及时垮落，以减小初采期间悬顶面积，保证矿井的安全开采。

1 工程概况

山西潞安集团五阳煤矿7602综放工作面，位于3#煤层76采区，煤层平均厚度6 m，倾角10°，主要采用综合放顶煤开采工艺，工作面斜长260 m，设计采高3 m，放顶煤高3 m，采放比1∶1.工作面开采区域内的3#煤层结构简单，顶板结构完整，基本顶为细粒砂岩，浅灰色、石英为主、硅质胶结，平均厚度7.98 m，普式系数f=6～12.工作面直接顶为砂质泥岩，黑色、质匀、致密，平均厚度4.05 m，普式系数f=4～5.直接底为砂质泥岩，黑色、质匀、致密，平均厚度3.49 m，普式系数f=4～5.工作面综合柱状见图1.

图1 7602工作面综合柱状图

2 水压致裂机理

水压致裂就是通过在煤岩体内布置钻孔，在孔内选定某一段用封隔器密封两端，然后利用高压水泵向孔内注入高压水，钻孔周围煤岩体在孔内高压水作用下，发生破坏，煤岩体内部裂隙不断扩展，最终达到破坏煤岩体完整性的目的。

将钻孔周围岩体假定为均质的、各向同性的，假想成一块无限大的岩石平板，该平板主要受2个主应力的作用，即:最大水平主应σmax和最小水平主应力σmin.在水压致裂初期，钻孔内出现的裂隙始终与孔壁垂直，且该破裂面与σmin垂直。当岩石某一水平主应力为岩体周围应力的最小值，则岩石破裂面沿水平方向，当岩石某一垂直主应力为岩体周围应力的最小值，则岩石破裂面沿垂直方向。随着水压致裂的持续进行，岩体内部围岩应力不断变化，最小应力方向也在不断变化，进而会在煤岩体内部产生纵横交错的裂隙，加快煤岩体破坏，使得顶煤、顶板及时提前垮落，缩短工作面顶煤及顶板垮落步距，避免因顶煤、顶板大面积垮落而引发安全事故。

3 水压致裂方案设计

根据工作面顶板煤岩物理力学特性，对7602工作面进行水压致裂方案设计，在工作面回采前通过水压致裂，破坏顶煤、顶板的完整性，在工作面回采过程中，顶煤、顶板及时垮落。

由于顶板坚硬，采用横向切槽的特殊钻头，预制横向切槽，使高压水通过该切槽逐渐压裂顶板，将特制的两段封隔器送至切槽处，利用泵加压使得高压胶囊封隔器处胶筒膨胀，达到封孔目的。注水管路连接3BZ6.7/63-200型高压泵实施压裂，先将泵压力调至2～5 MPa检查密封情况，由于顶板较为坚硬，因此将压力调整到40～50 MPa进行压裂，直到卸压为止。水压致裂坚硬顶板岩层示意图见图2.

图2 水压致裂坚硬顶板岩层示意图

工作面开切眼顶板水压致裂孔布置见图3.钻孔采用全液压ZDY1200S钻机及配套钻机平台进行施工，钻杆长1.0 m，d50 mm，采用d65 mm钻头。提前在7602工作面开切眼顶板施工一排水压致裂孔，孔深17.4 m，倾角60°，共计施工钻孔16个，编号1#—16#.依次对钻孔1#—16#进行压裂，单孔压裂次数最多为8次，当钻孔出现明显卸压，周边钻孔或锚索孔出现大量渗水时，压裂结束。整个水压致裂过程中，关注水压变化，确定压裂效果。

图3 工作面水压致裂钻孔布置图

水压致裂过程中压力变化图见图4.由图4可知，7602综放工作面压裂水压变化规律，随着压裂时间的持续，水压开始增长达到最大值，高压使得顶板出现了新增裂缝，并开始扩展，水压出现了小幅度降低，裂缝不断向四周围扩散，水压突然急剧下降，说明裂缝已与相邻钻孔或其他顶板裂隙相互贯通，出现了明显的卸压情况，此时压裂过程结束。

图4 水压变化图

4 致裂效果分析

对7602工作面进行水压致裂后，对顶煤及顶板破坏情况进行钻孔窥视，见图5.由图5可知，实施水压预裂后，工作面顶煤内部产生了明显的裂缝，尤其纵向裂缝最为明显；顶板同样产生了多条纵横相间的裂缝，由于裂缝的产生，使得煤岩体强度弱化，随工作面推进裂缝不断向周围扩展，最终导致煤岩体破坏、垮落，缩短了顶煤及初次来压步距。

图5 水压致裂后顶煤及顶板破坏情况图

7601工作面与7602工作面相邻，地质条件、开采技术条件相同，工作面斜长260 m，设计采高3 m，放顶煤高3 m，初采期间顶板采用自然垮落法进行管理，未实施水压致裂技术。对两工作面初次来压期间矿压特征进行了对比，见表1.由表1可以看出，实施水压致裂技术后7602工作面顶煤冒放性明显提高，顶煤垮落步距缩短了4.1 m，提高了资源回收率；顶板来压步距缩短了7.8 m，来压期间平均工作阻力减小了836 kN/架，动载系数降低了0.11，初次来压期间矿压强度明显减弱。因此，对综放工作面顶煤及顶板采用水压致裂技术，在提高顶煤冒放性，增加资源回收率的同时，减小了顶板悬顶面积，减弱了初次来压强度，保证了工作面的安全生产。

表1 7601与7602工作面初次来压情况对比表

5 结 论

1)根据顶板煤岩物理力学特性，确定7602综放工作面水压致裂孔的布置方式、封孔压力等相关参数。

2)对致裂期间水压进行监测，通过水压变化反应出了顶板岩层状态。当水压突然急剧下降，说明裂缝已与相邻钻孔或其他顶板裂隙相互贯通，出现了明显的卸压情况，此时压裂过程结束。

3)通过现场监测，实施水压致裂技术后工作面顶煤冒放性明显提高，顶煤垮落步距缩短了4.1 m，顶板来压步距缩短了7.8 m，来压期间平均工作阻力减小了836 kN/架，动载系数降低了0.11，初次来压期间矿压强度明显减弱。