水力致裂在矿压防治中的应用

常献军

(南煤集团有限公司， 山西 阳泉市 045000)

0 引 言

南庄矿采用综采放顶煤方法开采，因开采煤层平均厚度在15 m左右，回采工作面临空顺槽超前煤壁200 m范围出现冲击地压现象，巷道变形严重。随开采范围的增加，冲击地压日趋严重。曾发生了2起强矿压造成的事故，先是8107工作面受强矿压影响整个工作面压力巨大，煤壁片帮、局部漏顶、机道底鼓严重，采煤机被顶起无法推进，影响工作14 d。紧接着8107工作面密闭后开采的8105工作面5105巷遇强矿压袭击，造成50 m巷道损坏。因此，急需采取措施对矿井矿压进行防治。

本次研究方法主要是采用水力致裂的方法，预先切断老顶，弱化顶板，使顶板岩层及时垮落，降低工作面初次来压时产生的较大应力波动，避免煤岩体中赋存的瓦斯大量释放，导致瓦斯灾害，从而对矿压防治与顶板管理产生积极的作用，有效防治冲击地压等强矿压。

1 水力压裂防冲击地压试验

首次试验在5105巷，首先使用电磁辐射仪进行全巷道应力监测，最终确定采位1045.6～1480 m区域应力较大，然后在该区域施工观察孔来确定老顶关键层的位置，最后经过研究分析在该区域施工20个水力孔进行水力压裂(见图1)。

5105巷水力压裂虽然取得了成功，但是仍然有很多问题，比如用销子连接的安装杆极易从销子处断开、孔口的固定措施存在安全隐患且固定能力有限等，为了提高水力压裂的效果，先后2次对该项技术以及设备进行优化。

(1) 与厂家共同研发新一代安装杆，最初的安装杆直径为50 mm且使用销子固定，新一代的安装杆直径为75 mm且使用螺纹固定，大大减少了水力压裂时销子裂开而导致的失败。新型安装杆在8103工作面5103巷首次使用，共施工水力压裂孔142个并成功压裂，总孔深度4736 m，彻底解决了安装杆销子开口从中间断裂的问题。

(2) 针对煤矿石炭纪坚硬顶板条件以及开采以来不断显现的各种强矿压现象，研发和使用水力致裂坚硬顶板技术来防治冲击矿压。但是现场实施时冲孔问题不断发生，导致致裂失败，设备和致裂孔损坏，造成极大的安全隐患。为了减少冲孔问题的发生和设备的损坏，保证水力致裂实施的成功率，以及冲击地压的防治效果，对封孔器封孔时孔口固定措施进行了改进。

2 水力压裂防冲击地压的推广应用

通过几次技术设备上的优化，该项技术日趋成熟，能够在应用上也更加灵活，能够定点专项解决一些工作中的实际问题，一般在巷道应力集中的区域和工作面切眼实施。

2.1 8113工作面切眼水力压裂

针对8113综放工作面瓦斯超限问题，在该工作面切眼布置钻孔，进行水力压裂。

(1) 水力致裂钻孔布置。掘进巷道期间，8113工作面切眼附近没有施工地质钻孔，顶底板岩性及煤层性质不能准确掌握。据矿方提供的地质资料及钻孔柱状图确定，该工作面煤层厚度15.6 m，顶板往上依次为泥岩(2.14 m)、粗砂岩(6.68 m)、细砂岩(7.21 m)。确定8113工作面切眼顶煤厚度11.65 m，水力压裂钻孔布置在煤层上方6.8 m处的顶板岩层内。

(2) 8113初采水力致裂方案。由8113工作面开切眼尾巷向头巷方向总共布置12组钻孔，每隔20 m布置1组，每组布置2个钻孔，具体参数如图2和表1所示。

钻孔名称钻头直径/mm钻孔深度/m仰角/(°)开槽位置钻孔数/个1#煤75,岩5019.2174.9孔底122#煤75,岩5027.2842.8孔底12

本方案共施工24个钻孔，总计560 m，其中岩孔210.8 m，水力压裂全部实施成功，达到了治理初采瓦斯超限的目的，后来依次在西8203, 8207, 8101, 8202工作面(现采工作面)切眼使用水力压裂技术也都取得了良好的效果，有效防治了该矿出现的强矿压问题。

2.2 5202巷应力集中区域水力压裂

针对5202巷受8203综放工作面采空区侧向压力影响，在加强支护后矿压显现仍然强烈问题(见图3)。

图3 5202顶板情况

在5202巷距二盘区回风大巷520～700 m段，向8203采空区方向布置钻孔进行水力致裂，预先切断老顶，以期达到弱化矿压显现的目的。施工并致裂20个钻孔，总计750.9 m，其中岩孔218.0 m，煤孔内加套管。水力压裂实施后巷道应力有所减弱，效果良好，在对冲击地压等煤岩动力灾害问题的防治上产生了积极的作用，目前在南庄矿的各个工作面都不同程度地使用该项技术，而且成效显著。

3 结 论

以南庄矿预防矿压为研究背景，采用水力致裂的方法，对本矿井的矿压进行防治，主要结论如下：

采用水力压裂预先切断老顶，弱化顶板，使顶板岩层及时垮落，降低工作面初次来压时产生的较大应力波动，避免煤岩体中赋存的瓦斯大量释放，导致瓦斯灾害，同时还可以在工作面开采前进行预切顶弱化煤岩，防止初采期间瓦斯超限。该技术在南庄矿2次优化后更趋成熟，彻底解决了安装杆断裂与冲孔问题，在国内为千万吨矿井的水力压裂防治冲击地压指明了方向。