燕子山矿水压预裂坚硬顶板的技术应用

李少波

(大同煤矿集团有限责任公司，山西 大同 037037)



·技术经验·

燕子山矿水压预裂坚硬顶板的技术应用

李少波

(大同煤矿集团有限责任公司，山西 大同 037037)

燕子山矿8403工作面顶板坚硬，初采期间曾采用爆破预裂，但效果不佳，特在邻面8401初采时，采用中国矿业大学水压致裂技术，对顶板预裂，相较8403面采用爆破预裂结果，采空区顶板提前15 m垮落。试验证明水压致裂技术具有预裂效果好，单孔控制距离远的特点，可逐步替代传统爆破预裂。

水压致裂；坚硬顶板；布孔；采空区

燕子山矿5#层8403工作面顶板坚硬，初采期间虽经爆破预裂但效果不佳，为消除邻面8401初采时悬板隐患，特采用中国矿业大学水压致裂技术进行顶板预裂试验。早期水压致裂技术主要应用于石油和天然气增产方面，后被广泛应用于其他领域。20世纪90年代，波兰应用水力压裂技术，有效治理冲击地压，释放坚硬顶板的能量。近年来，黄炳香，邓广哲，刘长友等国内学者将水压致裂技术应用于顶煤预裂、提高顶煤回收率、防治瓦斯突出等方面，都取得了一定效果。水压致裂技术在燕子山矿的成功试验，使该矿将逐步替代并淘汰传统爆破预裂，以消除回采工作面初采时的悬板隐患。

1 工程概况

该矿西区5#层8401工作面长150 m，采高3.0 m，煤层结构复杂，厚度不稳定，煤层全厚为6.35 m，有1～2层0.22～0.50 m的夹石。直接顶为4.73 m厚的细粒砂岩，致密坚硬。基本顶为11.26 m厚的细粒砂岩，硬度高。通过引进中国矿业大学成套水压致裂技术，对8401工作面顶板进行预裂，确保采空区悬板及时垮落。该工作面顶底板情况见表1.

2 实施过程

2.1 工作面布孔方案

1) 在工作面设备稳装完成后，进行第一轮致裂，即在工作面布置3个孔(钻孔以45°仰角朝向推进方向)，工作面中部一个，工作面两端各一个。

表1 8401工作面顶底板情况表

2) 在工作面推进至15 m时，进行第二轮致裂，即在工作面布置4个孔(钻孔以45°仰角朝向采空区)，分别位于第一轮相邻致裂孔的中部，与第一轮致裂孔成交叉布置。

3) 在继续推进至25 m时，则进行第三轮致裂，在工作面布置钻孔3个(钻孔以45°仰角朝向采空区)，位置与第二轮交错布置。

4) 进行三轮致裂后，若古塘顶板仍未塌落，则按上述交叉布孔方式，每隔10 m进行一轮致裂，见图1.

图1 各钻孔位置分布示意图

2.2 布孔参数

根据充填采空区所需顶板垮落高度计算得出，预裂高度至少距工作面顶板8 m,即基本顶下部。孔深均为11 m，仰角45°，孔间距根据水压预裂实施经验，单孔扩散半径在10～15 m，特定为30 m. 因支架中心距1.5 m，故每隔20架布置1孔。

3 水压预裂实施过程及情况

3.1 水压预裂流程

1) 调试高压泵、连接管路，做好准备工作。2) 按设计方案施工钻孔。3) 使用钻孔窥视仪记录钻孔孔壁情况。4) 安装封孔器、固定安装杆，并通过高压管连接水泵。5) 检查接口、管路，并设置警戒后开泵预裂。6) 致裂过程中密切观察管路压力及现场情况。7) 预裂结束，将高压管泄压后，拆除管路、回撤封孔器。8) 待孔内不反水时，用钻孔窥视仪记录致裂后孔内形态，然后准备预裂下一孔。

3.2 预裂情况及效果

1) 实施情况。

8401工作面从切眼起至采位35 m，共致裂4轮，14个孔，切眼致裂第一轮，后续每隔10 m致裂一轮。孔深均为11 m，仰角45°.

2) 致裂现象。

致裂时，致裂孔前后10架，矿压表读数呈先上升(2～4 MPa)后下降(泄压)状态，相应支架后采空区顶板，不断地有巨大断裂声响，局部零皮，一段时间后邻孔贯通，第3、4轮致裂时，多个致裂孔因采空区顶板突然垮落导致瞬间泄压，致裂孔与顶板垮落处大量出水。

3) 致裂效果分析。

a) 孔壁形态变化。

致裂前，利用钻孔窥视仪对各钻孔进行观察，孔壁情况大都比较完整，见图2a)，致裂后，待孔停止滴水，观测致裂段孔壁裂缝形态，发现形态各异，主要可分为轴向裂缝和径向裂缝，见图2b).

图2 1#孔致裂前后孔壁形态比对图

b) 致裂情况及采空区顶板塌落情况。

第一轮在工作面切眼致裂时工作面顶板响动较小，未见出水处，致裂峰值压力25 MPa；第二轮采位15 m致裂时，采空区顶板不断出现顶板断裂声，峰值压力22 MPa；第三轮采位25 m致裂过程中采空区顶板多次出现巨大响动，采空区顶板零皮不断，局部塌落，古塘顶板出水。经采位35 m第四轮致裂后，采空区顶板已大范围塌落，局部塌严，后继续推进至40 m时，采空区顶板塌落完全。

c) 与邻面爆破强制放顶情况比对。

相邻面8403初采时，在工作面推进10～40 m期间，对顶板进行多轮爆破预裂，期间共打炮孔20个，其中工作面13个，头端头3个，尾端头4个，炮孔深度15 m，仰角45°，成扇形布置。直至工作面推进至40 m时采空区顶板才开始垮落，推进至55 m时，完全垮落。

与相邻面8403初采时垮落情况对比(表2)，8401工作面采用水压致裂强制放顶，采空区悬板提前15 m开始垮落及塌严，由此证明，水压致裂起到较好效果。

表2 8401工作面与邻面8403初采时顶板垮落情况表

3.3 水压致裂安全技术措施

1) 使用ZLJ-150型钻机，施工孔径50 mm，钻孔到位后采用中国矿业大学研制的专用扩孔刀头在孔底开槽。

2) 致裂孔施工完毕后，采用安装杆逐节将封孔器送至距孔底0.5～1.5 m处，安装杆间必须安装密封圈，孔口外露安装杆采用8#铁丝固定牢靠。

3) 开泵前关紧泄压阀，检查泵至孔口间管路，确保高压胶管完好无损，接头连接牢固，然后在致裂孔前后20 m范围设禁区，禁止任何人员行走和逗留，并安排专人监管后，方可开工。

4) 高压泵型号为BZW200型，致裂时，要严密监视泵压、流量变化情况，若泵压显著下降或致裂孔附近出水量大，可立即停泵致裂。

5) 致裂完成，经停泵和泄压后，方可拆除管路。

4 经验与不足

1) 在实施水压致裂前，首先要确定致裂孔深度，致裂高度应足够充满采空区，封孔段应在孔壁完整处。

2) 钻孔要保持一定间距，根据8401工作面水压致裂实施情况，钻孔间距应保持在25～30 m，比较合理。

3) 水压致裂开始，初始压力达到峰值压力后，可保持一定时间恒压，证明预裂有效。

5 结 论

1) 与爆破放顶技术相比，水压致裂工艺简单，成套装备操作简便，且可多次使用，后期施工投入费用少，单孔控制距离远，施工安全。

2) 钻孔的间距、深度、封孔深度是能否成功预裂顶板的关键，具体参数应根据现场顶板岩性确定。

[1] 邓广哲,王世斌,黄炳香.煤岩水压裂缝扩展行为特性研究[J].岩石力学与工程学报，2004(20)：3489-3493.

[2] 黄炳香.煤岩体水力致裂弱化的理论与应用研究[D].中国矿业大学，2009.

[3] 孙守山,宁 宇,葛 钧.波兰煤矿坚硬顶板定向水力压裂技术[J].煤炭科学技术，1999(2):55-56.

[4] 李杭州,张恩强.坚硬煤层注水预裂水压力计算[J].西安科技学院学报，2002(4):388-391.

[5] 王爱国.同忻矿特厚煤层坚硬顶板水压致裂技术[J].煤矿安全，2015(3):54-57.

Application of Hydraulic Fracturing Technology with Hard Roof in Yanzishan Coal Mine

LI Shaobo

The roof of the No.8403 working face in Yanzishan Mine is very hard, and the blasting method was conducted for roof pre-cracking in the initial mining, but the effect is not good. So, the adjacent work face of No.8401 introduced the hydraulic fracturing technique from China Mining University, compared with in the No.8403 surface where the blasting was used, the hydraulic fracturing technique used in the No.8401 work face represent good results with roof caved 15 m forward. The experimental results show that the hydrocracking technique has the advantages of good pre-cracking effect and more far distance for single-hole control, and can gradually replace the traditional blasting.

Hydraulic fracturing; Hard roof; Hole arrangement; Goaf

2017-02-27

李少波(1987—)，男，山西大同人，2012年毕业于中国矿业大学，助理工程师，主要从事矿井技术管理工作

(E-mail)903856174@qq.com

TD823.85

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1672-0652(2017)04-0036-03