水力预裂放顶技术在短壁回采工作面顶板控制中的应用

文/陈 竹

一、工作面概况

1.工作面位置

神华神东煤炭集团公司榆家梁矿52煤三盘区边角煤短壁回采工作面位于榆家梁井田东北部，地属新民芦草畔村和店塔张明沟村。工作面地表为黄土沟壑区，地表标高：1322~1389m，最大高差67m。工作面南部为52煤回风、胶运、辅运三大巷，西部为52煤52309设计工作面未采动，北部为井田边界，东部为52煤小窑新阳煤矿越界开采区。

2.围岩特征及煤层赋存情况

工作面老顶岩性以细及中砂岩为主，属较稳定型（Ⅱ），直接顶岩性以泥岩为主，块状，致密，厚度1.30~2.37m，属不稳定型（Ⅰ）。底板岩性为灰褐色粉砂岩，块状，致密，厚度0.55~2.84m，遇水泥化，受回采塌陷地压影响地段巷道底鼓严重。巷道围岩特征如表1所示。

表1 巷道围岩特征表

工作面煤层属低变质烟煤，黑色，条痕褐黑色，沥青或油脂光泽，线理细条带状结构，硬度大，赋存稳定，煤厚 2.2~3.0m，平均 2.8m，倾角 1°~2°，容重 1.31t/m3。后生裂隙发育，燃点315℃，单向抗压强度为273~569（kg/cm2），坚固系数3.5。宏观煤岩特征：以半暗型煤为主，局部半亮型煤占优势，光亮型及暗淡型少见，宏观煤岩组成中亮煤及暗煤含量较高，丝炭次之。

地层总的趋势是以极缓的坡度向西倾斜的单斜构造，倾角1°~2°；断层不发育，后生裂隙发育。

3.工作面设备配备

（1）短壁回采工作面全部使用引进的连采机及其配套设备施工。

（2）选用美国JOY公司制造的12CM15-10D型连采机来完成割煤和装煤工序，选用JOY公司制造的10SC32-48B-5型梭车来完成煤炭运输，利用GP460/150型破碎机完成煤炭的转载和破碎工作，破碎机运出的煤炭通过DSP1063/1000带式输送机运出工作面到胶带机头经主运输系统运出地面进入原煤仓。

（3）选用太原煤科院生产制造的CNMM25-4型锚杆机完成巷道支护工作，使用M.R.S.-17型线性支架来完成回采时的支护工作。

（4）选用UN-488型铲车来完成材料、设备的运送和搬移，以及巷道浮煤的清理等工作。

（5）选用无轨胶轮车完成人员、物料、设备等的辅助运输。

二、水力压裂放顶技术介绍

1.压裂装置组成

顶板水力压裂包括封孔、高压水压裂、保压注水、压裂监测等主要工序，该压裂系统主要由以下几部分组成：静压水进水管路、高压水泵、注水管、蓄存压裂介质水和油的储能器、手动泵、高压注水胶管、高压封孔器、压力流量监测仪。

2.压裂工艺

采用水力压裂技术控制煤矿坚硬难垮顶板工艺过程如图1所示。

（1）采用横向切槽的特殊钻头，预制横向切槽，如图1(a)所示，榆家梁煤矿顶板岩层不属于坚硬岩石，无需实施开槽作业。

（2）利用手动泵为封隔器加压使胶筒膨胀，达到封孔目的，如图1(b)所示。

（3）连接高压泵实施压裂，如图1(c)所示。

图1 水力压裂控制坚硬顶板岩层示意图

（4）封孔工艺流程图如图2所示。封孔压力为12~16MPa，严格按照图2连接管路，保证连接处密封完好，试压达到要求后投入使用。试压时加压到2~5MPa检查密封情况。

图2 封孔工艺流程图

（5）加压压裂工艺流程如图3所示。压裂时间根据泵压确定，泵压稳定后停止压裂。

图3 加压压裂工艺流程图

3.施工要求

（1）施工单位必须严格按照设计参数进行施工，工程质量要求遵从《煤矿安全标准化》的规定。

（2）工程施工期间，若遇到顶板、帮部条件不好或有异常状况，必须及时采取加强支护措施。

（3）施工期间的积水、煤渣必须及时排放至规定地点，钻孔和压裂积水由排水泵通过排水管排走。

（4）钻孔施工要求钻孔尽可能平直，避免大幅拐弯导致无法实施压裂。

（5）钻孔前必须由现场技术人员、质量员共同标出钻孔位置并编号，严格控制打眼方位、角度。

（6）压裂过程中，安排专人观测压裂钻孔附近顶板情况，出现漏水时停止此次压裂，进行下次压裂。

（7）压裂过程中，在没有出现大量漏水的情况下，压裂时间不少于30min。

（8）压裂过程中，要随时观测顶板支护情况，出现锚杆或锚索断裂时，立即停止该孔压裂，设置临时支护，另行压裂40m范围以外的钻孔，并及时进行补强支护。

4.施工工序

进入工作面进行瓦斯检查→施工前保护原有管、缆线→钻孔布置→钻孔→封孔→压裂→竣工验收。

打眼机具：钻孔采用全液压ZDY1200S钻机及配套钻机平台，钻杆为长度1.5m的Φ42mm钻杆，采用Φ56mm钻头。

5.压裂工艺

（1）安装、调试工作结束后，连接注水钢管将封孔器推送至预定位置。

（2）手动泵加压封孔器，待压力达到12~20MPa后停止加压，观察钻孔并监测压力表，确保封孔器正常工作。

（3）距离压裂孔10m处拉警戒，试验期间除作业人员外禁止人员通行，操作人员以及作业设备应位于支护条件良好的位置。

（4）给高压水泵先通水再通电，然后慢慢加压，同时记录水泵压力表以及手动泵压力表数据，继续加压直至预裂缝开裂。

（5）完成单孔多次压裂作业。

6.压裂过程中的顶板管理

（1）压裂过程中顶板与支护观测。在短壁回采工作面实施水力压裂作业过程中，为保证压裂过程中顶板及人员安全，加强顶板管理，特制定如下安全技术措施：

①要对压裂过程中及压裂后顶板出水及变形情况进行监测，根据出水情况及时调整压裂次数与压裂位置，保证人员及顶板安全。交接班后，及时检查压裂顶板20m范围内的两帮、顶板及支护情况，发现煤壁片帮或顶板离层、鳞皮等情况时，必须进行及时处理。

②交接班时，班组长必须对压裂后的顶板及支护等情况进行全面检查，确认无危险后，方可实施下次压裂。

③压裂过程中，严禁任何人员从压裂孔前通过，并在压裂孔两侧10m范围内设置警戒，严禁非压裂人员进入。

④压裂过程中安排专人观测压裂孔周围顶板变化情况，出现漏水较大情况时，通知高压泵操作员立即停泵，实施下次压裂。

⑤压裂过程中安排专人观测支护变化情况，如出现锚索断裂情形时，立即通知高压泵操作员，停止该孔的所有压裂作业，补打支护后再施工。

（2）压裂过程中特殊情况处理。在压裂过程中，如遇巷道顶板有以下特殊情况的需另行处理：

①顶板大面积冒落，必须及时采取加强支护措施处理顶板。

②顶板离层、冒落形成网兜的，必须及时处理网兜，进行补网、补打锚索进行补强支护。

③过往行人必须在有支护的顶板下行走，通过破碎段时应观察好顶板情况，确保安全后方可迅速通过。

④压裂过程中，顶板涌水量增大时，立即停止作业，利用封孔器封孔并提前做好排水工作。有效控制涌水后方可再次实施压裂，压裂孔距离涌水处应大于40m。

三、水力压裂放顶技术的实践应用

在52煤三盘区边角煤短壁回采面第二采区试验采用水力压裂放顶技术管理顶板。该试验项目分为两个阶段，分述如下：

1.第一区段水力压裂放顶情况

（1）巷道及钻孔布置。第一区段面积17660m2、储量6.94万t，布置支巷8条，平均长度136m，共计1092m。

在每个支巷联巷内施工1个压裂钻孔L和2个压裂钻孔S。钻孔参数为：压裂钻孔—L，仰角为25°，斜长33m；压裂钻孔—S，仰角为48°，斜长27m。第一区段巷道布置及压裂孔布置如图4所示。

图4 第一区段巷道布置及压裂孔布置图

（2）回采顺序及顶板垮落情况。

①第一区段掘进及回采时2条支巷为一组，如1、2支巷掘进到位后，掘进3、4支巷，同时对1、2支巷进行水力压裂；3、4支巷掘进到位后，回采1、2支巷，同时对3、4支巷进行水力压裂，如此往复。

②第1、2支巷第一条带回采完毕后（回采面积约1200m2），次日中午顶板初次垮落，顶板垮落较为理想，直接顶冒高4~5m，充填严实；在随后的回采中，顶板垮落一般滞后于采面1~3个采硐，即5~15m。

③回采4支巷至1联巷口时，由于在联巷口悬顶面积较大、顶板经过水预裂后破坏较为充分，且施工队伍回采经验不足，没有在联巷口留设三角煤柱支撑顶板，造成工作面顶板超前冒落，导致一次支架被掩埋的事故，事故发生后现场人员组织施救得当，没有造成人员伤害或设备损坏现象。

2.第二区段水力压裂放顶情况

在对第一区段水力压裂施工后工作面顶板垮落情况进行深入、全面的分析，并充分吸取第一区段回采的经验和教训之后，对第二区段的压裂钻孔布置进行了调整。

（1）巷道及钻孔布置。第二区段面积9640m2、储量3.80万t，布置支巷6条（最长116m），共计582m。

压裂钻孔布置：第一区段回采完毕后，优化了回采工艺及钻孔布置，本着节约成本、减少钻孔数量的原则，尽量做到水力压裂施工与连采掘进回采之间的平衡，对钻孔布置进行了优化，从实际回采过程来看，效果很好。

第二区段只在每条支巷边界联巷内施工3个压裂孔，即1个L孔和2个S孔，以充分破坏顶板的完整性，其他联巷内只布置1个L孔，同时增加L孔的长度至40m，以便其垂高能够有效破坏顶板关键层。钻孔参数：压裂钻孔—L，仰角为25°，斜长40m；压裂钻孔—S，仰角为48°，斜长27m。第二区段巷道布置及压裂孔布置如图5所示。

图5 第二区段巷道布置及压裂孔布置图

（2）回采顺序及顶板垮落情况。

①为避免回采时顶板压力集中到回采的联巷口处，变更了支巷回采顺序，按条带顺序后退回采，即6条支巷全部掘进到位后，顺序后退回采第一、第二、第三条带。

②顶板第一条带第一采块回采完毕后（回采面积约1300m2），次日中午顶板初次垮落，顶板垮落较为理想，直接顶冒高4~5m，充填严实；在随后的回采中，顶板垮落一般滞后于采面1~3个采硐，即5~15m。

③由于回采顺序的变更及回采经验的丰富，回采过程中没有再次发生压死支架事故。

④虽然减少了钻孔数量 （每条支巷减少4个S孔，减少费用2.7万元），但是顶板垮落效果也很好，达到了预想的优化目的。

四、存在问题及改进措施

1．水力压裂施工与掘进、回采工序之间的平衡需要结合实际进行充分协调，以免出现掘进、回采和压裂施工工序之间在时间和空间上的冲突，影响工作面生产组织。

2．在压裂过程中经常会出现顶板顺着锚索孔淋水等现象，究其原因是极小一部分高压水通过顶板岩层裂隙渗向锚索孔，并通过锚索孔流出。锚索淋水不大的情况下并不影响水力压裂效果，也不会对已施工锚索的锚固力产生影响。但锚索淋水势必影响工作面质量标准化及煤质管理，因此要时刻关注顶板淋水变化情况，及时采取导流、抽排等措施。

3．水力压裂顶板对顶板的破坏情况受钻孔深度、角度、注水强度、注水时间、顶板状况等多重因素影响，尤其是上覆岩层状况变化的不确定性给顶板破坏情况的预估造成了一定的困难。但根据回采经验，通过优化短壁回采工艺，合理控制回采期间煤柱留设，尤其是在支巷联巷等巷道交叉点留设2m左右的支撑煤柱，可使采空区顶板垮落处于可控范围，不仅能确保回采期间的安全，又能使煤柱在该支巷回采结束前被压垮，从而确保顶板能够及时垮落。

五、结论

榆家梁煤矿52煤三盘区边角煤短壁回采面采用水力压裂顶板技术，有效解决了回采后采空区大面积悬顶的问题，回采后顶板能够及时垮落，减少了大面积悬顶造成的安全隐患，且该技术的应用能显著减少火工品的使用，从而降低相应的安全风险，对于确保工作面安全生产、降低生产成本有积极的意义，具有良好的社会经济效益。