水力压裂技术在22116 工作面坚硬顶板弱化中的应用

段奥东

（潞安集团潞宁煤业有限责任公司，山西 宁武 036700）

1 工程概况

潞宁煤业公司侏罗系大同组上部2#煤层22116工作面位于矿田西南部，工作面平均走向长度为1 877.233 m，倾向长155.8 m，煤层厚度3.5 m。工作面区域地层整体为一南东向倾斜单斜构造，煤层走向N48°W，倾向S138°E。工作面区域内煤层结构简单，中部夹不连续的薄层炭质泥岩夹矸，煤层厚度1.0～5.0 m，平均厚度3.5 m，煤质编号为气煤，具有金属—玻璃光泽，坚硬、性脆，局部煤质松软、破碎，煤层硬度为3.5，倾角7°～15°。煤层顶底板岩性及厚度特征如图1 所示。22116 工作面风运巷均采用全锚网支护，运巷和风巷的顶帮锚杆均采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆，规格为Φ22～24 mm×2400 mm，配套螺帽为高强度加长螺母。

图1 22116 工作面煤岩柱状图

2 坚硬顶板等级及切顶高度分析

为制定合理的顶板控制方案，需首先确定采场坚硬顶板的等级，采场基本顶矿压显现强度可由基本顶初次来压当量Pe来划分，其计算公式[1]：

式中：N 为基本顶厚度比上采高；h 为采高，m；Lf为基本顶初次垮落步距，m。

潞宁煤业公司22116 工作面采高为3.5 m，基本顶为厚度16 m 的细粒砂岩，基本顶初次垮落步距计算公式[2]：

式中：h 为基本顶厚度，m；Rt为基本顶抗拉强度，MPa；q 为基本顶受到的垂直应力载荷，MPa。

基本顶身重力引起的载荷q1=γ1×h1=24.8×16=396.8 kPa，上部第二层岩层对基本顶的载荷：

因为（q2）1＜q1，可知顶板第二层岩层对基本顶基本无载荷，则可确定基本顶所受载荷q=q1=396.8 kPa，基本顶抗拉强度为5.90 MPa，计算可得基本顶初次垮落步距为35.62 m，代入式（1）计算得到基本顶初次来压当量Pe=975.4。根据《缓倾斜采煤工作面顶板分类》相关规定[3]，Pe=975.4＞975，则基本顶属于III 级顶板，即矿压显现强烈类型顶板。

为避免22116 工作面及回采巷道受到剧烈矿压影响发生破坏，应采取适当的措施对顶板进行弱化，而弱化的高度应根据采场顶板的冒落带高度进行确定。冒落带高度计算公式[4-5]：

式中：M 为采高，m；β 为工作面倾角，（°）；Kp为顶板岩层碎胀系数。

22116 工作面采高3.5 m，倾角为12°，顶板岩层主要为坚硬的砂岩，碎胀系数取1.3，因此计算得到冒落带高度为11.9 m，预裂垂直高度应不小于11.9 m。22116 工作面上方均厚16 m 细粒砂岩、粉砂岩、泥岩交互岩层即为直接顶也为基本顶，为采场顶板弱化的主要对象。

3 顶板水力压裂弱化方案

根据水力压裂施工钻场的不同可分为工作面水压致裂和回采巷道水压致裂。将钻场布置在采煤工作面常面临以下问题：钻孔施工影响工作面的正常生产；水力压裂钻孔施工空间狭小，工作面效率较低；工作面前方顶板应力状态、破坏状态复杂，水力裂纹轨迹难以控制；工作面每推进一段距离，需要停下来施工大量水力压裂钻孔，工程量大。将钻场布置在两侧回采巷道内能够有效避免上述问题，因此确定22116 工作面顶板压裂钻孔布置在两侧回采巷道内。工作面回采期间，将引起前方一定范围内的垂直应力发生变化，超前支承压力影响导致顶板岩层的应力状态更为复杂，水力裂纹的扩展轨迹将难以控制和预测，因此水力压裂时应选择在接近原岩应力的区域，即大于工作面超前支承压力的影响范围。22116 工作面压裂时机确定为超前工作面80～150 m。

为保证采场两侧及中部顶板均得到良好的弱化，22116 工作面顶板设计三类压裂钻孔（A 类、B 类、C 类）。三类钻孔的直径均为56 mm，同一类钻孔的布置参数相同。钻孔布置平面图如图2 所示。距工作面开切眼50 m 开始布置钻孔，钻孔的终孔垂直高度均为16 m。三类钻孔的详细参数如表1 所示。

图2 22116 工作面顶板水力压裂钻孔布置

表1 各类水力压裂钻孔参数

为保证每个钻孔的压裂效果，在每个钻孔附近布置相应的观测孔，观测孔直径为56 mm。观测孔的整体布置情况如图2 所示，各类观测孔的详细参数如表2 所示。

表2 各类观测钻孔参数

22116 工作面采用定向水压预裂技术弱化其顶板，主要施工机具有高压泵、切槽刀具、水管等，每个钻孔均进行四次水力压裂。压裂中心距孔口的距离详见表3。水力压裂后，预计水力裂纹分布如图3 所示。22116 工作面回采巷道施工完成后，由切眼附近的回采巷道内开始水力压裂钻孔的施工。钻孔完成后，首先采用高压水进行冲孔，然后将切槽钻头、封孔器、注水软管及注水钢管一并推入水力压裂钻孔内，切槽钻孔推至孔底后，通过注水软管对封孔器进行注水。封孔完成后通过注水钢管注入高压水，当顶板或邻近观测孔出现水流时，表明压裂成功。重复以上工艺完成整个顶板的压裂弱化。工作面开始回采前，首先完成距切眼200 m 范围内顶板的预裂，工作面投入生产后，超前工作面在100 m 左右进行定向水压预裂技术弱化顶板。

图3 22116 工作面顶板预计总体致裂效果

4 水力压裂效果分析

为考察采场顶板岩层的弱化效果，在22116 工作面回采期间，将工作面分为上部、中部、下部三个测区，监测、记录液压支架的工作阻力，整理可得未进行水力压裂的22114 工作面和进行水力压裂的22116 工作面支架工作阻力的变化规律如图4 所示。图4（a）所示为22114 工作面液压支架工作阻力变化规律。三个测区液压支架工作阻力的首个峰值出现在工作面推进约53 m 时，工作面继续推进，液压支架工作阻力又出现三个峰值，峰值间工作面推进平均距离为21 m。由此可知，22114 工作面基本顶初次来压步距为53 m，周期来压步距约为21 m，支架工作阻力峰值平均为4000 kN。图4（b）所示为22116 工作面液压支架工作阻力变化规律。首个峰值出现在工作面推进32 m 后，各峰值间平均距离约17 m。可知基本顶初次来压步距为32 m，周期来压步距为16 m，峰值平均值为3180 kN。由此说明，采用水力压裂技术对顶板进行弱化后，使基本顶的初次来压和周期来压步距均明显减小，来压强度同样显著减弱，能够减小采场顶板悬露面积，有效防止大面积来压引发的安全事故。

表3 各致裂孔注水位置参数

图4 液压支架工作阻力变化

5 结论

根据22116 工作面地质条件，得到采场顶板冒落带高度为11.9 m，基本顶初次垮落步距34.42 m，顶板属于矿压显现强烈类型顶板，提出了用水力压裂技术对顶板进行弱化。设计A 类、B 类、C 类三种压裂钻孔并施工相对应的观测孔，制定定向水力压裂技术的施工工艺，监测液压支架工作阻力的变化规律。结果表明，水力压裂技术减小了基本顶初次来压和周期来压步距，且来压强度显著减弱，能够有效避免坚硬顶板的大面积来压现象，为工作面的安全生产提供保障，该技术可进行推广。