水力致裂改造采煤工作面端头坚硬顶板的探索与应用

刘宏亮

（河南能源新疆龟兹矿业有限公司，新疆 库车 842000）

1 概况

新疆龟兹矿业矿井位于捷斯德里克向斜北翼，为一单斜构造，倾角3°～20°。矿井A3 煤层A303 采煤工作面随回采推进，其北部A303 轨道运输顺槽进入邻近A305 工作面实体煤段，进而出现了靠近A303 轨道运输顺槽的工作面机尾段顶板垮落步距和悬顶面积增大，其尾巷最大悬顶长度18 m，垮落周期7～8 d，并由此导致工作面靠机尾段整体垮落滞后。在无外力干预的情况下，顶板悬露宽度达22 m，悬顶面积逾200 m2，危害极大。

A3 煤层直接顶为灰色中砂岩，平均厚度7 m，顶板完整，呈平行层理，裂隙不发育，局部有鼓包，成分以石英为主，含斜长石、钾长石及少量黑色矿物，容重为2.82 g/cm3，单向抗压强度66～78 MPa，属于坚硬岩。井下综采面布置结构如图1。

图1 A303 采煤工作面布置示意图

为寻求解决A303 采煤工作面端头顶板大面积悬顶造成的顶板及其次生灾害的风险，矿井进行了一系列试验探索，最终选择了通过实施水力致裂改造顶板缝网技术弱化岩层结构[1-5]，以达到采煤工作面顶板控制的目的。

2 水力致裂基本参数设计

水力致裂改造顶板缝网是通过对钻孔注入高压水，利用岩层原生裂隙、层理面等应力弱面压裂岩层，扩大、延展缝网，实现坚硬顶板的“定向”分层或切断，破坏坚硬顶板岩层结构整体性，同时注水浸泡弱化顶板固有强度，以达到减少顶板初次和周期来压步距、降低顶板应力集中和来压强度的目的。水力致裂工艺流程主要为“钻、封、压”三步。因此在实施水力致裂改造顶板缝网时，必须对注水致裂层位、注水压力、注水钻孔间距和时间等基本参数进行科学合理的设计。

2.1 注水致裂层位

过高的注水层位将导致水力致裂效果减弱，起不到顶板弱化致冒的效果；过低的注水层位其致裂范围有限。合适的注水层位应在满足注水致裂保压效果的基础上，可以充分填充采空区空间为宜，在设计中可以考虑利用岩层层理面增大注水致裂效果。

在选择满足注水保压层位时，可以忽略小型的顶板原生裂隙，以避免人为形成的导水通道为主。在有锚索支护的围岩中，应避免此类孔隙造成的影响，应至少留有800 mm 以上的保压层。新疆龟兹矿业A3 煤层支护锚索长度6.3 m，因此注水层位不应低于7.1 m。而对于采空区空间填充则根据岩层涨碎率进行计算，一般采用公式：

式中：Hm为选择顶板水力致裂层位值，m；M为采煤工作面采高，m；C为采煤工作面综合采出率，取93%；Km为顶板岩层涨碎系数，取1.38。

结合上述注水层位选取原则和计算结果，本次采煤工作面顶板注水致裂层位值宜选择14 m。

2.2 注水压力

水力致裂的机理之一是通过对钻孔注入高压水压裂岩层，实现坚硬顶板的定向分层或切断，其实质是利用大于岩体抗拉强度和岩体应力之和的注水压力，实现破坏坚硬顶板岩层结构整体性的目的。因此在设计注水压力时，需对顶板岩体的一般物理性质参数和岩体的赋存状态有充分的了解并加以应用，据此设计注水压力：

式中：P为设计注水压力值，MPa；k为供液系数，取1.5；Px为岩体应力，取5.1 MPa；R为岩石极限抗拉强度，取6.8 MPa。

根据上式计算结果应作为注水压裂的最低值和泵站选型的依据，实际注水致裂操作中，应大于该注水压裂，根据实际验证取18.8 MPa。

2.3 注水钻孔间距和时间

由于各类岩体赋存条件差异较大，因此在进行注水致裂钻孔和时间设计时，在同一煤层相似条件下的工程试验是最准确的方法。首先以4 m、5 m、6 m 为间距进行单孔单段间隔注水致裂试验，并记录连续压力变化情况和相应的时间。其水力压裂曲线如图2。

图2 注水孔水力致裂曲线

试验结果表明，压裂开始时，水压增加较快，钻孔壁开裂时水压通常较高约18 MPa，随后压裂稍微下降，以15 MPa 稳定水压开始压裂，说明顶板整体性好，裂缝不发育。大约15 min 后，压裂区域附近钻孔及锚索孔开始淋水并逐渐增大，待相邻钻孔开始淋水且压裂区域锚索普遍淋水时，说明压裂半径至少＞10 m，相邻钻孔已贯通，此时停止压裂。

注水钻孔是外部水压与岩体缝网联系的通道，所有改造裂隙的形成均是以注水钻孔为轴心向四周逐步发散，并最终形成根系状缝网。在选择注水钻孔间距时，过大的间距不利于形成岩体相互导通的缝网，过小的间距不利于注水保压，同时将大大增加“钻、封、压”等相关工作量。

3 水力致裂改造顶板缝网方案确定

使用CMS-4000/55 型矿用深孔钻车配合Φ85 mm 钻头施工水力致裂注水孔。A303 轨道运输顺槽顶板水力压裂钻孔由最后一排顶板断裂孔向外5.9 m 开始施工，以两列分别布置在巷道中心线上（Sx孔）和巷道中心线偏回采帮1.1 m 位置（Bx 孔）。其中Sx 孔与巷道夹角0°，终孔朝向工作面采空区方向，深度16.3 m，孔间距5 m，平面仰角59°；Bx 孔与巷道夹角38°，终孔朝向工作面采空区偏工作面方向，深度19.9 m，孔间距5 m，平面仰角45°；Sx 孔与Bx 孔沿巷道走向交替错位布置，错距2.5 m。

水力致裂由工作面超前向外开始逐孔施工，单孔压裂按5 段进行，单段注水长度1.5 m，其中S1-x 孔一段注水位置14.8～13.3 m、二段注水位置11.8～10.3 m、三段注水位置8.8～7.3 m、四段注水位置5.8～4.3 m、五段注水位置3～1.5 m；B1-x 孔一段注水位置18.4～16.9 m、二段注水位置13.9～12.4 m、三段注水位置9.4～7.9 m 四段注水位置5.9～4.4 m、五段注水位置3～1.5 m。

注水压裂过程中观察注水压力变化和相邻S1孔出水及周边锚杆锚索孔情况并记录。按上述方法依次完成注水压裂，并记录不同注水压裂孔水压、出水、注水时间等情况。井下水力致裂改造顶板缝网钻孔及注水设计如图3。

图3 A303 轨道运输顺槽顶板水力致裂改造顶板缝网钻孔及注水设计（m）

注水致裂供水压力18 MPa，如注水压力达到25 MPa 仍未压裂，则采用间歇性注水方式保持30 min，期间专人观察注水管路压力表和附近顶板及淋水等情况；注水压力小于18 MPa 并保持稳定时，则进行持续注水，保持时间不小于30 min。一段压裂结束，通过拆卸底部连接杆方式将封孔器、连接杆等孔内外移，依次进行第二段、三段、四段、五段注水压裂。

4 应用效果及分析

实施设计注水致裂改造顶板缝网措施后，9 月11 日9：20，工作面机尾段顶板出现第一次垮落；9 月14 日10：10，工作面机尾段顶板第二次垮落，垮落步距6 m；9 月17 日17：45，工作面机尾段顶板第三次垮落，垮落步距8.4 m；9 月20 日17：20，工作面机尾段顶板第四次垮落，垮落步距6 m。工作面机尾段垮落周期趋于持续稳定，且垮落周期间伴随规律性顶煤垮落和小型顶板垮落。

综上所述顶板垮落情况和工作阻力变化分析，采用水力致裂改造顶板缝网方式弱化A303 回采工作面机尾段顶板可以有效促进小步距周期性垮落，顶板垮落步距6～8.4 m 左右，比优化前降低了66.4%。垮落周期3～3.5 d；通过8 月份和9 月份同期（实施水力致裂改造顶板缝网前后）监测的工作面机尾区域平均工作阻力数据对比，可知顶板水力致裂在减小工作面周期来压步距的同时，支架工作阻力峰值平均降低了约12.5%，对工作面液压系统的稳定和支架承载能力有积极的作用。井下监测情况如图4。

图4 A303 回采工作面机尾区域2022 年8、9 月同期日平均工作阻力

A303 轨道运输顺槽采用水力致裂改造顶板缝网方式弱化顶板后，极大地缩短了尾巷顶板悬露长度，减小了工作面机尾段采空区顶板的悬顶面积，杜绝了大面积悬顶垮落情况。因此，认为该方式弱化顶板不仅有效解决了机尾悬顶面积过大造成的顶板大面积垮落形成风暴损伤人员的风险，而且缩短了顶煤垮落步距，极大地提高了工作面放顶煤效率和刀煤放煤量。

5 结语

1）根据本次应用实践过程和效果分析，本文中提到采用的水力致裂基本参数选取方法和思路具有一定的参考价值，可作为水力致裂顶板形成缝网的普适计算方法。

2）水力致裂技术可以通过钻孔、注水、憋压和造缝将坚硬岩层切割为破碎岩体，降低岩体完整性，有效改变目标岩体的应力状态，同时可以通过水的浸泡起到软化岩层强度和降低粉尘的作用。

3）该技术将顶板垮落步距降低66.4%，将工作阻力峰值平均降低了约12.5%，杜绝了大面积悬顶垮落情况，显著提升了井下作业的安全性。