综放工作面上隅角顶板控制的水力压裂技术应用

张红军

(山西晋煤集团 赵庄煤业有限责任公司 赵庄二号井，山西 长治 046600)

赵庄二号井西翼盘区3号煤层瓦斯含量大，工作面在回采过程中由于一次采高大，工作面顶板直接冒落的矸石难以充填满采空区，顶板以一定角度向采空区倾斜，形成悬臂梁[1-3]，造成回采工作面推进过程中回风巷上隅角经常会出现顶板不能及时垮落现象，导致采空区后方悬顶面积增大，容易造成瓦斯积聚[4-5]。为了让巷道顶板及时垮落，上隅角悬顶处目前均采用爆破方法进行处理，但该方法存在很大安全隐患，在瓦斯积聚区域进行火药爆破，极易造成瓦斯爆炸事故，如何更高效、更安全处理上隅角顶板垮落成为当前急需解决的问题[6-8]。

结合水力压裂技术处理坚硬顶板的实践成果[9-13]，拟采用水力压裂技术对23012回风巷进行水力压裂处理巷道顶板上隅角使其及时垮落，解决工作面上隅角瓦斯聚集问题[14-16]。

1 工程概况与地质力学测试

赵庄二号井西翼首采面2301为放顶煤工作面，煤层厚度3.4～5.7m，平均4.4m，煤层倾角0°～7°，平均倾角3°。走向长594.4m，倾斜长154.7m。工作面埋深484.81～519.85m，平均深度500m左右。井下位置北部为矿界，东部为实体煤，南部为西翼三大巷，西部为实体煤，巷道沿底板掘进，形状为矩形，断面为4.5m×3.1m，采用锚杆索支护，巷道布置如图1所示。

图1 2301工作面巷道布置

煤层综合柱状如图2所示，3号煤层直接顶为细粒砂岩，平均厚度为3.4m，基本顶为中粒和粉砂岩 ，深灰色，完整性高。底板为砂质泥岩和炭质泥岩，局部为细粒砂岩和粗粒砂岩。

图2 煤层综合柱状

地应力测试结果如表1所示，测试区域平均埋深427.4m，最大水平主应力为13.6MPa，最小水平主应力为7.1MPa，垂直应力为10.6 MPa。从量值上分析，该区域属于中等应力值区域，应力场类型为σH>σV>σh应力场，最大水平主应力方向为N26.7°E。

表1 地应力测试结果

水平主应力对巷道顶、底板的影响作用大于对两帮的影响；垂直应力主要影响巷道的两帮。

2 压裂深度分析

赵庄二号井2301工作面采用放顶煤工艺，采3m，放顶1.5m，结合煤岩层综合地质柱状图进行理论计算分析其工作面顶板的运移状态。

其工作面顶板裂缝带岩梁的位置即为上位基本顶回转变形岩梁的位置，根据下列公式计算进入裂缝带的基本顶岩层。

将2301工作面相关数据代入上述公式，可得出第3层基本顶岩梁，即12.62m粉砂岩为岩层裂缝带岩层，其下岩层为冒落带岩层。确定压裂钻孔垂深范围为20m。

为评估压裂位置的岩性及岩层结构，在压裂前对钻孔进行岩层结构窥视，结果如图3所示。深孔内穿越十余层岩层(砂岩/砂质泥岩/煤线)，孔口岩层较完整，除局部出现短裂隙外，无明显破碎连通裂缝存在。有必要实施压裂，弱化顶板岩层的整体性，使其及时垮落。

图3 钻孔窥视结果

3 水力压裂方案

结合工程实践经验，确定23012回风巷顶板采用深浅孔交替压裂方案。钻孔断面如图4所示。

图4 2301回风巷压裂钻孔平面

3.1 深孔方案

工作面侧钻孔(深孔)在顶板开孔，位置距煤柱侧巷帮1m，钻孔直径75mm，钻孔长度为48m，钻孔平行巷道轴线方向，仰角角度为60°，孔间距为10m。

3.2 浅孔方案

煤柱侧钻孔(浅孔)布置在顶帮连接处开孔，钻孔直径75mm，钻孔长度为20m，垂直煤帮，仰角角度为70°～80°，孔间距为10m。

在巷道靠近煤柱侧布置2排钻孔，采用深浅孔交错布置。为保证压裂效果，压裂顺序为由内而外，每3m压裂1次，每次压裂时间为30min。同时对于48m深孔来说，孔口至孔内8m范围内不进行压裂，对于20m孔来说孔口至孔内7m范围内不进行压裂。

压裂作业需超前回采工作面50m以上。为保证上隅角顶板及时垮落，在切顶架支设前将回风巷锚杆、锚索退锚。

4 效果监测分析

4.1 压裂阶段

现场施工过程中对每一个压裂孔详细记录了作业时间、水压值、注水流量等重要参数，以便更好地指导下一步压裂施工。监测表明，深孔底部压裂段最大水压34MPa，浅孔底部最大水压18MPa。

4.2 回采阶段

回采工作面推进压裂区范围过程中，上隅角直接顶基本实现随采随冒(特殊区段最大悬顶面积7.5m2)，垮落效果显著，达到了国家安全生产标准化要求。从根本上消除了上隅角爆破放顶施工的危险性。

为评价压裂对巷道稳定性的影响，监测压裂区巷道围岩变形情况，从水力压裂起始点设置第06号离层仪，停采线位置设置第01号离层仪，向巷口方向每隔50m设置1个综合位移测站，监测顶板离层量、顶底板及两帮移近量。

离层仪受采动影响的最大启动距离110m；回采面端头深部最大离层量140mm，浅部最大离层值72mm。且急剧增大阶段该离层仪处于超前支护范围内。顶板水力压裂超前施工能够满足安全生产要求。

巷道两帮最大移近量385mm，顶底板最大移近量275mm。且变形急剧增大阶段处于巷道超前支护范围内。整体上回风巷回采面端头巷道宽度不小于4000mm，高度2500～3000mm，能够满足安全生产要求。

监测结果表明，顶板压裂可有效弱化顶板岩层的整体性，同时并未影响巷道围岩的整体完整性，保证上隅角顶板及时垮落时并未影响巷道安全使用。

5 结 论

(1)针对赵庄二号井3号煤层顶板完整、工作面回采过程中上隅角无法及时垮落的难题，提出采用水力压裂方式进行可控切顶，为高瓦斯矿井上隅角悬顶面积治理提供了安全环保技术手段。

(2)基于定向水力压裂技术原理，理论计算压裂深度范围为20m，确定钻孔最大深度为48m，提出了深浅孔交替压裂的施工技术方案。

(3)回采工作面推进压裂区范围过程中，上隅角直接顶基本实现随采随冒(特殊区段最大悬顶面积7.5m2)，垮落效果明显，解决了工作面超前施工与安全管理难题。