成庄矿15号煤层坚硬难垮顶板定向水力压裂技术研究

李浩男

（晋能控股煤业集团成庄矿，山西 晋城 048000）

0 引言

坚硬顶板在采空区后方未能及时垮落形成大面积悬顶是影响矿井安全生产的不稳定因素。坚硬难垮顶板主要是指抗压强度高、岩层致密、完整性强、揭露后不易垮落的岩层。顶板悬顶造成的危害主要存在2个方面：一是顶板瞬间大面积垮落形成飓风，冲击井下工作面，造成采面设备损坏、巷道支护体失效；二是坚硬岩层不及时破断造成巷道超前支撑压力增大进而导致巷道变形失稳破坏。目前，针对坚硬难垮顶板主要处理手段是施工密集钻孔和滞后浅孔预裂爆破，存在施工效率低下，弱化顶板深度较浅，上覆岩层应力未能得到有效释放等诸多问题。基于此，定向水力压裂技术成为解决坚硬顶板悬顶问题时的首选方案[1-4]。

1 工程概况

成庄矿X V1307工作面为15号煤首采面，埋深约为320 m，上方为3号煤采空区。15号煤层稳定，煤厚1.29～5.63 m，平均3.68 m。煤层含夹矸0～7层，一般1～4层，夹矸厚0.10～0.30 m，结构复杂。15号煤位于太原组一段上部，上距K2石灰岩0～2.50 m，平均0.68 m，下距K1砂岩0～25.80 m，平均12.34 m。K2石灰岩平均厚度9.9 m，单轴抗压强度平均值为110 MPa，强度较高，属于典型的厚煤层坚硬难垮落顶板，15号煤顶底板情况如图1所示。就邻近矿井开采15号煤经验来看，工作面初次垮落步距在40 m左右，周期来压步距在28 m左右，工作面来压明显，巷道维护困难，提前进行顶板预裂处理是解决问题的关键。

图1 15号煤顶底板柱状图

2 定向水力压裂方案

2.1 水力压裂工艺

定向水力压裂技术主要是通过向顶板预先施工的钻孔分段注入高压水削减顶板完整性，促使坚硬顶板分层垮落，达到缩减来压步距、减缓超前支撑压力影响、消除顶板大面积冒落引发恶性事故的目的。水力压裂系统主要包含高压水泵、储能器、手动泵、封孔器、管路、各类压力仪器组成。水力压裂技术主要包括钻孔、割缝、封孔、压裂4项主要工序。首先，按照施工方案利用普通钻头在巷道顶板坚硬岩层中钻孔，钻至预先设计终孔位置停止；将普通钻头更换为可预制横向切槽的特殊钻头，在水力压裂段预制横向切槽；将跨式膨胀型封孔器推进至压裂段，通过手动泵加压促使封孔器膨胀，达到封孔的目的；最终，连接高压水泵向压裂段压入高压水，保压20 min以上，重复上述工序即可[5-7]。水力压裂控制坚硬顶板岩层示意图如图2所示。

图2 水力压裂控制坚硬顶板岩层示意图

2.2 压裂钻孔布置参数

与传统油气行业不同，井下定向水力压裂技术施工地点限制条件较多，作业空间狭小，因而其施工工艺有其独特之处。根据X V1307工作面柱状图、地应力大小及方向、顶板岩性情况，拟选择工作面水力压裂方案如下：工作面顺槽钻孔布置为单侧布置，如图3所示，开孔位置距顶板200～300 mm，钻孔长度为50 m，孔间距为10 m，钻孔与煤层走向方向的夹角为30°，钻孔水平投影与巷道夹角为70°。

图3 X V1307工作面顺槽钻孔布置

2.3 应用效果考察

为了对水力压裂作用效果有更加直观的认识，优先选择钻孔窥视的方法对顶板压裂效果进行分析。利用已压裂钻孔进行窥视作业，根据现场实测结果表明，压裂后钻孔内裂隙发育，裂隙扩展性良好，正常情况下能保证岩层的稳定下，随着工作面回采煤层上覆坚硬岩层可实现分层垮落，保证安全回采。

3 安全技术措施

1）严格按照设计方案施工，确保压裂钻孔施工质量。钻孔施工完成后轴线应近似为直线，通过控制钻进速度，减小钻机进给力实现；严格控制钻探施工轨迹，确保压裂施工改造层位的准确性。

2）通过多种举措保证封孔质量，保证后续压裂工作的正常进行。采用倒退式压裂法，即从钻孔底部向孔口逐次压裂；封孔器分隔段必须为岩层完整段；距孔口位置10 m左右不进行压裂作业。

3）压裂作业为隐蔽工程，严格落实现场监督考核制度。单孔压裂次数以6～12次为宜，压裂段长度不宜过长，以3～5 m为宜；压裂过程中，保证20～30 min的保压时间，确保顶板压裂、软化充分，同时，应安排专人对钻孔周围顶板进行巡检，当出现临近钻孔出水时，停止作业。

4）压裂作业开始前，应在施工区域设置警示牌，禁止非作业人员进入，防止冲孔伤人；安排专人对高压管路进行检查，确保管路连接处安全可靠。

4 结论

针对成庄矿X V1307工作面存在坚硬顶板不易垮落的难题，提出深孔定向水力压裂技术。

经现场实践表明，水力压裂可有效破坏深层坚硬顶板完整性并促使其分层垮落，消除工作面冲击来压的风险，降低超前支撑压力影响，具有良好的经济社会效益。