煤矿顶板注高压水预裂技术浅析

左明

摘 要 针对目前煤矿冒顶现象，通过对坚硬顶板岩石应力的分析，采用对坚硬顶板注高压水预裂技术，使其容易及时自然垮落，减少冒顶现象的发生，确保煤矿安全生产。

关键词 坚硬顶板 高压注水 致裂顶板

中图分类号：TD823 文献标识码：A

1注高压水预裂顶板技术原理及优点

1.1技术原理

水力压裂作为经济、安全、高效的坚硬顶板控制技术，已在我国部分煤矿得到了验证，成为我国煤矿坚硬难跨顶板控制的有效手段。我国众多学者对其机理进行了研究，表明注高压水预裂顶板可定向压裂顶板岩层、破坏顶板岩层的完整性，进而减弱顶板的强度和一体性，使采后顶板能够按需求及时垮落，缩短初次来压时间和周期来压的步距，从而达到降低或者基本消除顶板坚硬岩层对回采工作面带来的危害。

鉴于水力压裂可削弱岩层的整体性和稳定性，采用注高压水进行顶板预裂技术，通过水力压裂的作用：（1）使工作面坚硬顶板能够及时垮落，避免形成悬臂，从而达到巷道卸压、缓解片帮和底鼓的目的；（2）通过人为的方法使工作面顶板及时垮落，将巷道附近的高压力转到自承能力未受到削弱的煤或岩体的内部，降低巷道周围附近的应力，达到使巷道处于低压力区的目的。同时，水力压裂技术具有安全性高、工程量小、成本低及适应性强（如高瓦斯矿井）等特点。

1.2技术优点

注水孔施工过程中，能增大煤层的透气性、破坏坚硬顶板整体性，因此在厚煤层开采时，可以较好的解决放顶煤困难及顶板冒落难等技术难题；同时在注水孔施工过程中，也同时能降低工作面煤层中瓦斯的压力，起到释放瓦斯的功效；并且，顶板注高压水后部分水分也会渗道煤层中，起到降低粉尘的作用。现在煤矿企业在工作面进行回采前基本都会对工作面煤层施工注水钻孔，对煤层进行预注水，以人为增大煤层水分含量，以便降低回采时的产生的煤尘。高压水注水孔的施工原理与煤层注水钻孔施工原理基本一致，因此，施工起来较为便利，基本没有难度。

2注高压水压裂工艺

根据下式可计算裂缝起裂压力：

Pb=3 min max+ t

计算过程中要考虑裂纹扩展过程中的损失、变向及多缝扩展及考虑一定的富裕系数，来确定高压注水泵的压力及流量。设备选型完成后，根据所选设备进行现场安装及调试：

封孔器的安装：连接安装封孔器，然后对封孔器进行排气、试压，保证封孔器正常运行，手动泵和储能器通过高压胶管与封孔器连接，连接处“O” 型密封圈密封。

在高压胶管和注水钢管相连处安装水压仪。

设备调试完成后，注高压水预裂具体施工工艺如下：

（1）前序预备工作结束后，连接注水钢管将封孔器推送至预裂缝处，封孔、注水压裂采用倒退式压裂法，即从钻孔底部开槽处向外依次进行压裂；

（2）手动泵加压封孔器，待压力达到预定压力后停止加压，观察钻孔并监测压力表，检验封孔器能否保压，如不保压，重新检查可能漏气的环节，以确保封孔器正常工作；

（3）开启水压仪，高压水泵先通水后通电再加压，同时记录水泵压力表数据及手动泵压力表数值，一直加压直到预裂缝开裂，局时压力表数值会突然下降，保压注水使裂纹继续扩大，待顶板、煤帮或钻孔中有水渗出时，停止压裂；

（4）预裂工作结束后，注水泵先断电再停水，再对封孔器进行泄压，最后退出钻孔，并利用观察设备观察压裂效果。

3注高压水压裂的技术要求

开始施工前各种设备要连接无误；钻孔和水力压裂采用平行作业施工；钻孔完成后用静压水冲洗钻孔，然后开始下一钻孔；施工钻孔钻进过程中，若顶板有大量水流出，停止钻进。

（1）定向水力压裂技术要求完成钻孔的轴线近似为一条直线，要求在钻进过程中尽量降低钻进速度，减小钻机进给力；

（2）开槽处需选择顶板完整段。开槽过程中，当开槽钻头到达钻孔底部时，减小钻机进给力，使开槽刀片缓慢张开，避免开槽钻头受到冲击；开槽需彻底，开槽刀片完全张开并切割钻孔后方可停止；

（3）封孔器分隔段必须为钻孔预开槽段及岩层完这段；

（4）定向水力压裂采用倒退式压裂法，即从钻孔底部向孔口逐次压裂；

（5）压裂过程中，保证一定的注水时间，确保压裂、软化充分，同时安排专人检查压裂孔周围顶板，当有大量水从顶板中流出时，停止压裂；

（6）压裂前拉警戒线，检查接头部位密封情况，确保无误后方可开始压裂；

（7）压裂过程中，严禁人员从压裂钻孔前通过，以防注水管从钻孔中穿出伤人。

4注高压水压裂的安全措施

（1）生产科安排专人对施工现场的工程质量进行监督检查，并做好隐蔽工程施工记录；

（2）施工过程严格执行《煤矿安全规程》的有关规定；

（3）施工时，各工序之间要严密组织，人员操作默契配合，严防意外事故发生；

（4）采掘工作面及其他作业地点风流中、电动机或其开关安设地点附近20m以内风流中的瓦斯浓度达到1%时，必须停止工作，切断电源，撤出人员，上报并进行处理；

（5）压裂时，人员远离注水孔口，防止高压水或注水管伤人；

（6）启动钻机前，操作人员应通知所有人员注意安全，仔细检查电路电缆，检验漏电保护装置状态，检查钻机锚固是否牢固，只有在确认人员和设备都安全后，方可启动钻机运转；

（7）钻机在钻孔过程中，动力头严禁反转，只有在加接或拆卸钻杆时，夹持器夹住钻杆后才可反转；

（8）施工压裂眼过程中，要设专人监护顶板，发现异常立即停止作业。

5结束语

坚硬顶板注高压水预裂技术，目前在波兰、澳大利亚被广泛利用，将来会被广泛推广，因为注高压水预裂煤层顶板适合各种瓦斯等级的矿井，在技术成熟后，将会给煤矿企业带来福音，为煤矿安全生产提供技术支持。

參考文献

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部、中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.煤炭工业矿井设计规范[M].北京：中国计划出版社，2015：19.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部、中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.煤矿井巷工程施工规范[M].北京：中国计划出版社，2011：8+50-52.

[3] 国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程[M].北京：煤炭工业出版社，2016：21+179-183.