祁东矿30 m厚硬基本顶水力压裂控制技术研究与应用

薛玉峰 单振兴

（安徽恒源煤电股份有限公司祁东煤矿，安徽 宿州 234000）

0 引言

水力压裂技术主要是利用高压泵将水（或其他液体）注入到煤岩钻孔中，当钻孔注液量远大于煤岩孔水滤失量，使得孔内水压升高直至煤岩层破裂，产生煤岩裂缝并不断延伸和扩展，在煤岩层中形成丰富的裂隙网络，从而达到提高瓦斯抽采量、改造弱化煤岩层强度的目的[1]。该技术目前广泛运用于煤矿井下瓦斯增透[2]、顶板水力压裂[3-6]、煤矿开切眼巷道顶板弱化[7]、工作面巷道顶板高应力区卸压[8-11]和防冲治理[12]等方面。

本文针对祁东矿82煤层上覆盖近30 m 厚硬基本顶的特殊条件，介绍了水力压裂技术的应用实践，并通过钻孔窥视得出祁东矿8235 工作面采用水力压裂技术后取得了良好的切顶效果。

1 工程概况

1.1 工程生产地质条件

祁东煤矿8235 工作面主采82号煤层，煤层厚度为1.2 ～2.5 m，平均厚度为1.7 m，煤层倾角为11 ～15°，平均倾角为13°。8235 工作面平均埋深为544.2 m，基本顶为平均厚度29.43 m 的细砂岩，直接底为平均厚度3.2 m 的泥岩，基本底为平均厚度7.75 m 的泥岩。8235 工作面煤岩层柱状图如图1 所示。

图1 8235 工作面煤岩层柱状图

1.2 工程背景与控制方向

如图1 所示，8235 工作面顶板为厚度近30 m 的细砂岩，单轴抗压强度测试结果显示，基本顶细砂岩自然状态抗压强度平均为111.9 MPa，普氏硬度系数为12，为坚固岩石，因此8235 工作面细砂岩顶板为典型的厚硬基本顶，8235 工作面初采时，后方采空区厚硬基本顶岩层容易因形成大面积悬顶，出现一次性垮落时，从而形成飓风和强冲击，造成设备损坏、人员伤亡等事故，因此祁东煤矿需要采用强制放顶的方法处理基本顶岩层。

祁东煤矿此前主要采用爆破强制放顶的方法，但该技术存在严重安全隐患，例如：产生大量有毒有害气体、干扰矿井正常生产等，已无法满足矿井安全、高效生产的需求。因此，根据矿井需求与实际，选择更加安全、绿色的水力压裂技术作为顶板控制方式，可最大程度削弱顶板的整体性，使工作面顶板呈分层及时垮落，避免给工作面正常回采带来影响。

基于上述分析，祁东煤矿选择在8235 工作面开切眼巷道开展水力压裂初次放顶技术应用。

2 工程方案设计

2.1 工程原理分析

该工程原理为：开切眼巷道形成后，工作面回采前，通过开槽钻头在工作面推进方向煤壁顶板与开切眼巷道顶板钻孔预制横向切槽，然后在浅部进行封孔，利用高压水在切槽端部形成裂隙并沿岩层扩展，弱化开切眼巷道顶板岩层强度，使之分层垮落。其技术原理如图2 所示。

图2 开切眼巷道水力强制切顶原理

厚硬基本顶沿水力切顶弱化岩层区跨落后，会消除大面积悬顶的一次垮落风险，缩短与减弱工作面前方支承压力作用范围与强度，能够改善工作面煤壁区应力状态，进而保证采场安全。通过顶板水力压裂可人工增加裂缝的数目，在顶板中形成水压裂缝网络，破坏其整体性，从而促使悬顶及时垮落。

为达到更好的切顶效果，同时兼顾生产成本问题，根据开切眼的断面尺寸和支护条件，祁东煤矿明确预裂对象主要为基本顶中低位岩层。

2.2 钻孔方案设计

钻孔布置方案如图3 所示，水力钻孔的施工参数如下：

图3 工作面初次放顶水力压裂钻孔布置图

1） 采用锚索钻机施工钻孔，钻孔直径为50 mm；

2）在开切眼内布置18 组钻孔，每组施工A、B两个孔，A 孔和B 孔均匀间隔三花型布置，每组钻孔间距为10.5 m；

3）A 孔在煤帮施工，垂直煤壁朝向工作面前方顶板，开孔位置距离肩窝下方1 m，仰角为45°，钻孔长度为12 m；

4） B 孔在顶板施工，垂直煤壁朝向老塘侧顶板，开孔位置距离开切眼肩窝1 m，仰角为45°，钻孔长度为12 m。

2.3 注液压裂方案设计

注液压裂方案为：钻孔完成后，为增加人工裂缝数目、破坏岩体结构，使悬顶及时垮落，采用注液压裂技术，压裂滞后已安装支架不低于30 m，每个钻孔压裂4 ～5 段，两段之间的间距平均为2 ～3 m，每段的压裂时间控制在25 ～30 min。同时，采用乳化液泵进行压裂，压裂时对钻孔进行封隔器封堵，压裂过程中，乳化泵站压力设置为25 ～30 MPa。

3 开切眼巷道切顶卸压数值模拟分析

3.1 建立模型

为分析祁东矿8235 开切眼巷道切顶效果，本研究结合本工作面地质生产条件，采用Flac3D数值模拟软件构建数值模型并开展分析，模型尺寸为：x × y× z=110 m × 140 m × 106.7 m，其 中x 轴 方 向为8235 工作面煤层走向，y 轴方向为煤层倾向，z 轴方向为竖直方向，煤岩层均采用Coulomb-Mohr 本构模型，四周设置为铰支，底板设置为固支，上部为自由边界，并施加上覆岩层的自重载荷11.86 MPa，测压系数取1.2，煤岩层平均容重取2 500 kg/m3。

3.2 结果分析

本研究分别对比在开切眼巷道施工水利切顶与不施工水力切顶两种条件下围岩应力分布规律，如图4所示。

图4 开切眼巷道切顶卸压效果

由图4（a）可知，未切顶条件下，采空区基本顶出现大面积悬顶，过长的悬顶导致工作面前方煤体出现大范围高应力区域，最高值可达29.2 MPa，较大的集中应力易使煤壁发生片帮，影响采场安全；由图4（b）可知，切顶条件下，当工作面推进较小距离时，采空区基本顶即沿切顶位置断裂，工作面前方煤体上方基本顶与采空区基本顶的力学传递在切顶作用下有了一定的减弱，前方煤体集中应力峰值为21.25 MPa，较未切顶情况下降了7.95 MPa，切顶卸压（降低初次来压前工作面前方煤体应力）效果明显，且避免了大面积悬顶后一次性垮落时形成强冲击的风险。

4 切顶效果分析

采用水力压裂技术后，为评价切顶效果，本研究对压裂钻孔进行窥视分析，其中1、2 组A 孔钻孔窥视结果如图5 所示，其中图5（a）为钻孔内1.35 m 处，由窥视结果可得该处有煤线；图5（b）为钻孔内2.45 ～2.55 m 段，由窥视结果可得该段顶板裂隙发育；图5（c）为钻孔内5.1 ～5.3 m 段，由窥视结果可得该段顶板轻微纵向裂隙发育；图5（d）为钻孔内7.6 ～8.6 m 段；图5（e）为钻孔内8.35 ～8.55 m段，裂隙发育效果明显。

图5 切眼水力压裂钻孔窥视图

通过对压裂钻孔的窥视分析可知，水力压裂技术得到很好的应用，取得了良好的切顶效果。

5 结论

1）本文分析了祁东煤矿8235 工作面厚硬基本顶初次来压大面积悬顶的风险，提出选择水力压裂技术在开切眼巷道进行切顶工作，能够最大程度削弱顶板的整体性，使工作面基本顶分层及时垮落。

2）本文阐明了水力切顶原理，确定了水力钻孔与注液压裂技术参数，并通过数值模拟分析了未切顶与切顶条件下采场围岩应力环境，后者较前者前方煤体集中应力下降7.95 MPa，能够有效改善采场围岩应力环境，保证采场安全。

3）采用水力压裂技术可以有效保证人员和设备安全，减少炸药雷管等火工品的使用和运输，有效提高安全性，同时，还能避免爆破产生的大量有毒有害气体，更加安全、环保。