厚煤层坚硬顶板工作面水力压裂切顶卸压技术研究

张跃铮

（晋能控股装备制造集团，山西 晋城 048006）

1 概况

晋能控股寺河煤矿10109 工作面煤层厚5.56 m，倾角平均5°，综采放顶煤开采，全部垮落法处理顶板。10109 工作面煤层上方为12.9 m 石灰岩，致密坚硬。10107 工作面与10109 工作面相邻，地质条件相近。10107 工作面生产期间未采用切顶卸压措施，回采巷道围岩变形大，顶底板最大移近量达206 mm，两帮最大移近量310 mm，维护难度大。

2 水力压裂坚硬顶板卸压机理

水力压裂是指将带压液体在钻孔压裂段释放形成预制裂缝，通过控制水力压裂形成的裂纹扩展方向[1]，随着工作面推进，坚硬顶板沿着一定方向裂隙垮落，从而达到降低工作面压力的目的，尤其是对坚硬顶板压裂有较好的效果[2]。水力压裂卸压机理为：工作面在长壁开采时，顶板垮落的矸石承担支撑部分上覆岩层重量，工作面矿压与顶板垮落的步距息息相关。若顶板坚硬时（10109 工作面顶板为坚硬灰岩，本身岩层承载较大），顶板悬而不垮，悬顶面积较大，工作面及回采巷道承载重力越大，致使围岩变形较大，影响安全生产。水力压裂卸压主要作用为软化或压裂顶板，降低坚硬顶板的整体性，使其垮落步距减小，将上覆岩层部分重量转移至采空区，从而减小或消除悬顶面积过大对工作面矿压过大带来的危害[3-4]。

3 水力压裂切顶卸压设计方案

1）工作面初次来压水力压裂卸压方案

① 切眼钻孔布置及压裂参数。切眼共布置17个压裂钻孔，钻孔间隔8 m，钻孔编号分别为C1、C2、C3……C17。C1 距运输顺槽8 m，钻孔直径56 mm，深度19 m，与工作面推进方向呈50°，与切巷轴线垂直，钻孔布置如图1。压裂参数为压裂钻孔从0～3 m 范围内不压裂，K2 石灰岩区段每2 m 压裂一次，每孔压裂8 次，压裂方向从孔底到孔外，压裂压力在25 MPa 左右，压裂时间不低于30 min，封口器封孔压力10～16 MPa。

图1 切眼钻孔布置平剖面图（m）

② 切眼端头附近运输顺槽钻孔布置参数及压裂参数。该区域压裂钻孔共布置4 组，每组分A 孔和B 孔，孔径均为56 mm，编号分别为A1～A4、B1～B4。所有A 钻孔距离外帮（未开采实体煤帮）0.5 m，深度19 m，仰角50°，与巷道轴线平行；所有B 钻孔距煤壁帮0.5 m，深度21.5 m，仰角50°，水平角30°。钻孔压裂参数为所有A 钻孔5 m 以内不压裂，B 孔5.5 m 以内不压裂，K2 石灰岩区段每2 m 压裂一次，均压裂8 次，压裂方向、压力、保压时间与切眼内压裂参数相同。

③ 切眼端头附近回风顺槽钻孔布置参数及压裂参数。该区域压裂钻孔布置两组，即D 孔6 个、E孔4 个，孔径均为75 mm，编号为D1～D6、E1～E4。D 孔位于顺槽内煤帮顶角处，钻孔深度29 m，仰角50°，D1、D2 钻孔水平角分别为15°、30°，D3～D6 与煤壁垂直，D1、D2、D3 孔间距1 m，其余孔间距8 m；E钻孔距煤柱帮0.5 m，钻孔深度19 m，仰角50°，D、E 钻孔压裂参数与运输顺槽钻孔A、B 孔相同。

2）工作面周期来压水力压裂卸压方案

为减小工作面在正常回采阶段周期来压步距，减小工作面矿压，在10109 回风顺槽中布置水力压裂钻孔进行卸压。在回风顺槽布置两组压裂钻孔L孔和M 孔，孔径均为75 mm，孔深均为20.5 m，仰角均45°，两组钻孔间隔8 m，分别为139 个。L钻孔与巷道轴线平行，M 钻孔距煤柱帮0.5 m，压裂参数为L 钻孔、M 钻孔不压裂范围分别为8.5 m、4.5 m 以内，压裂次数分别为6 次、8 次，压裂顺序、压力、保压时间与切眼端头附近顺槽内压裂钻孔一致。

4 施工工艺

水力压裂工艺流程主要包括封孔和压裂[5-6]，水力压裂示意如图2。施工工艺为：1）压裂设备安装、连接、调试后，连接注水钢管将封孔器推送至预定位置，从钻孔底部向外依次进行压裂，即退式压裂法进行封孔、注水压裂。2）用手动泵对封口器进行加压，加压至10～16 MPa，观测压力是否保持，若压力降低或钻孔中有水说明封孔失效，需检查并解决问题，若压力保持，说明封孔完好。3）压裂之前，压裂钻孔两侧20 m 范围内不得有人逗留，操作人员距压裂设备20 m 外，且在支护条件好的环境开启水压仪，高压水泵先通水再通电，记录压力表、流量计等数据，加压直到预裂缝开裂，此时压力突然下降，持续加压使裂纹继续扩展，若顶板有水渗出，停止压裂。4）压裂结束后，高压水泵断电、断水，对封口器进行卸压，退出钻孔，本次压裂结束。

图2 顶板水力压裂示意图

5 应用效果

1）水力压裂钻孔裂缝特征窥视

对压裂的钻孔进行钻孔窥视，结果如图3。窥视结果表明，经过水力压裂，在坚硬顶板中形成了裂隙，并逐步扩展贯通，在钻孔浅部沿弱结构面可形成一定的破碎带，在钻孔深部可形成纵向裂隙带。

图3 水力压裂后钻孔窥视结果

2）工作面围岩变形及来压情况

利用“十”字交叉法在10109 回风顺槽布置巷道围岩变形观测点，经过水力压裂后巷道围岩变形情况如图4，顶底板最大移近量为82 mm，两帮最大移近量为106 mm，与10107 工作面未水力压裂切顶围岩变形相比分别下降了60%、66%。水力压裂后，工作面回采期间初次来压步距由原来的56 m减小到24 m，周期来压步距由原来的平均34 m 减小到19 m 左右。

图4 两工作面围岩变形量对比