高压水力压裂技术在综放工作面初采放顶中的应用

尹晋攀

（山西沁和能源集团南凹寺煤业有限公司，山西晋城048000）

0 引 言

在煤矿井下开采中，因受地质条件、围岩应力等因素影响，回采工作面在初采期间，经常会出现采空区和上下隅角顶板悬顶不垮落现象。工作面出现大面积悬顶容易造成瓦斯积聚，工作面顶板大面积垮落时容易引发顶板事故、瓦斯超限等矿井灾害事故[1-2]。为防止工作面初采期间出现采空区大面积悬顶，煤矿一般采取切巷超前退锚、顶板预裂爆破强制放顶等措施，上述措施安全系数低、效果差。水力压裂技术已在石油、天然气开采和井下瓦斯抽采等相关领域得到了广泛应用，近年来，其在煤矿井下开采中处理坚硬顶板不垮落进行顶板预裂方面也得到了较多的推广应用。工作面回采过程中，在超前采动压力影响范围区前方，采用高压水力将工作面坚硬的顶板岩层进行压裂破坏，使岩层的整体性和固有强度降低，在工作面推进过程中，采空区顶板能够实现随采随落，缩短工作面初次来压和周期来压步距，使初次来压和周期来压强度降低，削弱了工作面初次来压和周期来压对支架产生的冲击影响，有利于工作面顶板及煤墙的管理和维护，提高工作面回采期间的安全系数[3]。

1 工程概况

常村煤矿井田东西走向长10 km，南北倾斜宽2～4km，井田面积18.37 km2，矿井主采3#煤层，煤层平均厚度5.38m，设计生产能力180 万t/a。矿井采用综采低位放顶煤采煤工艺，全部垮落法管理顶板，工作面上下顺槽及切眼掘进期间均沿煤层顶板施工。工作面直接顶为泥岩-粉砂岩，其中泥岩平均厚度为0.09m，强度为35.42MPa，粉砂岩平均厚度1.8m，强度为78.92MPa。老顶为细粒砂岩有，平均厚度3.4m，岩层平均强度为98MPa 左右。矿井煤层顶底板岩层特征如图1 所示。

12204 工作面切巷由于顶板岩层坚硬且采用锚网索联合支护，工作面初采期间采空区顶板不能及时垮落，工作面回采期间虽然采取了提前对切巷锚杆、锚索进行退锚处理，但顶板垮落的矸石不充分，很难将采空区填实，造成工作面回采初采期间采空区大面积悬顶、瓦斯积聚，工作面上隅角经常出现瓦斯超限现象，给矿井安全生产带来极大安全隐患。针对此种情况，提出采用水力压裂技术处理工作面采空区大面积悬顶问题显得尤为重要。

图1 矿井煤层顶底板综合柱状图

2 工作面地质情况分析

12204 工作面位于常村煤矿12 采区西翼中下部，北邻12206 工作面采空区，南邻矿井未开采区域，西邻SF4 断层，东到矿井工业广场保护煤柱。工作面标高-392.8 ～-421.3m，地面标高+135.8 ～+138.3m。工作面设计走向长782m，倾斜宽180m，工作面煤层厚度3.6～6.2m，平均厚度5.1m；工作面煤层倾角5°～10°，平均8°。工作面切眼为矩形断面，断面尺寸为8m×3.2m，巷道净断面25.6m2。

为分析工作面顶板岩层地质情况，在工作面切眼内施工窥视钻孔对顶板岩层进行窥视。以6 号钻孔为例进行分析，如图2 所示，钻孔窥视深度41.6m。从窥视结果可以看出，工作面顶板在0～1m深度区域内，岩层裂隙较为发育，深度超过1m 以后区域裂隙相对较少。结合12204 工作面顶板岩层性质及现场实际情况，研究决定利用水力压裂技术来处理工作面顶板不及时垮落问题。

图2 12204 工作面切眼6 号钻孔窥视图（钻孔深度/m）

3 水力压裂方案设计

3.1 技术原理

水力压裂技术是在顶板中完成普通钻孔施工后，利用特殊的开槽钻头进入钻孔末端施工横向切槽，然后对切槽段进行注浆封孔，封孔完成后采用高压泵向切槽内注入高压水，利用水的高压切应力在切槽端部产生裂缝并在岩层中逐渐扩展延伸，增大岩层裂缝，将完成的顶板岩层分割成多层，进而破坏顶板岩层的完整性，降低岩层整体强度。工作面在推进过程中，随着采动动压和顶板围岩应力等综合因素影响，工作面顶板岩层由整体一次性垮落变化为依次分层垮落，缩短工作面初次来压和周期来压步距，降低来压强度，从而达到降低或消除工作面大面积顶板垮落带来的危害的目的[4]，确保工作面安全顺利回采。

3.2 技术参数选取

根据12204 工作面切眼掘进及支护方式并结合工作面煤岩层综合柱状图等相关基础数据进行计算，以此来分析工作面顶板岩层的移动状态，确定工作面顶板上部基本顶岩层回转变形破断岩梁的位置。

利用公式（1）计算基本顶进入裂隙带岩层的厚度：

式中：hi为自下而上第i层基本顶岩层的厚度，m；hi'为自下而上第i层基本顶分层岩层的厚度，m；hm为工作面采高，m；Ki为基本顶岩层岩石碎胀系数，1.15～1.33，取1.25；Kz为直接顶岩层岩石碎胀系数，1.33～1.50，取1.45；h为工作面直接顶岩层厚度，m。

将12204 工作面的有关数据代入到公式（1）中，计算可得知，工作面第3 层基本顶粉砂岩岩层裂隙带岩层，厚度为12.62m，其下方的岩层为工作面顶板冒落带岩层。根据以上计算分析结果可知，为达到预期顶板水力预裂效果，水力压裂钻孔的垂深至少应达到工作面第3 层基本顶粉砂岩岩层以上位置。

3.3 压裂钻孔设计

12204 工作面切眼净断面尺寸为宽8m，高3.2m，倾斜长180m,为保证高压水力对工作面顶板岩层的压裂效果，综合工作面岩层地质情况及理论计算分析结果，确定工作面水力压裂钻孔深度为40m，以工作面切眼中心线为基线，每排布置2 个钻孔（如图3 所示）。

工作面煤墙帮钻孔开孔位置在巷道顶部距煤墙帮1.5～2.0m，倾角45°～55°，孔深40m，钻孔直径φ75mm。老塘侧钻孔开孔位置在巷道顶部距老塘侧帮部2.0～2.5m，倾角70°～80°，孔深40m，钻孔直径φ75mm。钻孔排距20m，切眼内共计施工16个钻孔。

图3 12204 工作面切眼水力压裂钻孔布置示意图

3.4 施工方案

3.4.1 钻孔施工方案

施工压裂钻孔时采用ZYJ-1250 型框架式液压钻机，采用φ75mm 的钻头进行钻进。钻孔施工位置应选择在巷道顶板支护相对较好、顶板岩层较为完整的地段进行开孔。施工时先利用φ75mm 的普通钻头进行施工，在施工深度到达预设的开槽位置时，将普通钻头更换为开槽钻头进行钻孔开槽。开槽结束后将钻头更换成普通钻头继续施工，当钻进至下一个设计的开槽位置时更换开槽钻头进行开槽施工，按照由下向上的顺序直至钻进到设计的钻孔深度为止。

3.4.2 水力压裂施工工艺

钻孔施工完成以后，对钻孔进行封孔，连接好高压注水系统后利用高压水对顶板岩层进行水力压裂分割。

1）封孔。封孔工序及系统安装连接如图4 所示。

图4 压裂钻孔封孔系统连接示意图

2）钻孔高压水力压裂。安装高压注水系统的工序如图5 所示。

图5 高压注水系统系统连接安装示意图

4 井下现场试验

4.1 高压水力压裂压力变化情况监测

在12204 工作面切眼实施高压水力压裂试验时，对高压注水泵的压力变化情况进行监测，为分析诊断压裂效果提高参考依据。高压泵压力实施注水过程中压力变化情况如图6 所示。

图6 高压注水压力变化曲线图

由图6 可知，由于受地质条件和岩层性质不同的影响，有些岩层在受高压水力作用下裂缝开始起裂后，压力曲线表现为非常紧凑的锯齿状，说明岩层裂缝在延展过程中每次开裂的幅度较小；有些裂缝在压裂过程中，因岩层厚度的不均匀性或是由于岩层的渗透性不同，高压泵站的注水压力出现有升有降的变化，压裂曲线呈现波浪形变化。同时，由于部分岩层存在构造面或是原生裂隙，在进行高压注水压裂试验中，泵站压力有时会出现剧烈变化。

4.2 试验效果分析

常村煤矿曾委托中国矿业大学对12201 工作面矿压变化情况进行观测分析。观测分析结果为，工作面直接顶初次来压步距为18.5m，来压情况表现为工作面上下两端来压较为缓慢，中间顶板来压表现较为强烈。老顶初次来压垮落步距为48.6m，工作面老顶初次来压期间，支架工作阻力有70%以上处在4 500～5 500kN，最大的达到6 000kN，工作面煤墙出现片帮严重现象。

12204 工作面顶板岩层在采用水力压裂后，工作面开始回采向前推进2.4m 时，直接顶开始出现垮落，在推进4.8m 后，直接顶全部垮落，在推进至12m 时，工作面老顶全部垮落，由此可知工作面初次垮落来压步距为12m。老顶初次来压期间，工作面煤墙完整性较好，只有局部出现少量片帮。初次来压期间，支架工作阻力在3 800～4 500kN，平均4 150kN，为支架额定工作阻力的64.8%；最大工作阻力为5 575kN，是支架额定工作阻力的87.11%；最小工作阻力为125kN，为额定工作阻力的1.95%。与12201 工作面初次来压相比，12204 工作面初次来压步距减小36.6m，表明水力压裂技术可以有效缓解顶板压力，保证初采安全。

5 结 论

通过理论分析和井下现场应用实践表明，在工作面初采期间遇坚硬顶板岩层难以垮落时，运用高压水力压裂技术，能够有效地将工作面顶板上部坚硬的岩层进行切割、分层压裂，破坏岩层的整体性，使岩层固有硬度系数降低，工作面在回采过程中，顶板岩层由整体一次性垮落变化为依次分层垮落，缩短工作面初次来压和周期来压步距，降低来压强度，从而达到降低或消除工作面大面积顶板垮落带来的危害的目的，确保工作面安全顺利回采。