水压预裂技术在综放工作面初采初放中的应用

殷泽宇，张 磊

(西山煤电集团公司 官地矿，山西 太原 030022)

综放工作面初采时要尤其注意顶板管理，对于Ⅲ级或Ⅳ级坚硬基本顶，初采期间极易造成初次来压步距较长，基本顶难以及时垮落，在不采取强制放顶措施时，初次垮落步距可达40 m以上，给通风管理造成很大隐患。同时，顶板如果突然垮落容易引起飓风，给初采初放带来安全隐患。此问题的出现实质上都是由于工作面上部顶板未及时断裂，导致应力传递而引起的。以官地矿28418综放工作面为研究对象，采用理论分析、钻孔窥视、工业实践的方法，开展水压预裂切顶卸压成套技术方案研究与应用，在确保安全的基础上，以降低成本，提高切顶效果，为工作面安全生产提供保障。

1 工程背景

官地矿28418综放工作面为“采九放八”采煤工艺，8#煤层总厚度4.56 m，上部含有两层厚度约为0.56 m、0.03 m的夹石；8#与9#煤层间距0.20～1.50 m，平均0.85 m；9#煤层平均厚度3.32 m.9#煤直接顶为泥岩，厚度为0.2～1.5 m，8#煤基本顶为石灰岩，厚度为3.01 m，普氏系数为6～8，柱状图见图1.

图1 28418工作面围岩柱状图

该工作面8#煤尘爆炸指数23.17%，9#煤尘爆炸指数15.91%，均具有爆炸性，且8#煤层为Ⅱ类易自燃煤层，为确保顶板及通风管理安全，初采初放顶板垮落步距应尽可能缩短，故采用高效水力压裂顶板技术对顶板进行切顶卸压，以减小初次来压步距及动压影响。

2 水力预裂切顶卸压力学机理

2.1 坚硬岩体水力压裂裂缝开启与扩展规律

对坚硬岩体孔壁周围应力进行建模，见图2.

图2 坚硬岩体孔壁周围应力模型图

根据弹性力学计算可知：

σθ=σx(1-2cos2θ)+σy(1+2cos2θ)-4σxysin2θ-p

σθz=-2σxzsinθ+2σyzcosθ

σθ随着水压P的增大而不断减小(压应力为正，拉应力为负)，而σz则不随着水压P的变化而变化，即随着水压的不断增大，周向应力逐渐由压应力向拉应力转化，而孔壁轴向应力则保持不变，裂缝逐渐接近于纵向裂缝，裂缝扩展近似与最大水平主应力的方向平行。纵向裂隙开启后，拉应力会沿着裂缝向径向与轴向方向不断集中，持续产生大量的径向裂隙与轴向裂隙，将坚硬围岩预裂[1-2].

2.2 水压预裂参数设计

1)工作面顶板水力压裂切顶卸压的控制技术思路是：对煤柱上方的顶板采用水力压裂，可有效切断由于采动造成的基本顶应力传递路径，形成水压裂缝网络，破坏其整体性。故水力压裂对象为基本顶，要求压裂高度贯穿此区域。

2)端头悬顶的预裂对象主要为中低位岩层，需要考虑以下3方面：冒落的岩层能够超过巷道的高度;减小锚杆和锚索对水力压裂效果的影响;中位岩层的压裂促进下位岩层的冒落。

采用“低位致裂+高位弱化”的控制思路，可同时解决端头悬顶治理和动压巷道的控制问题[3-5].

3)理想切顶线位置沿煤柱侧垂直顶板切落，但考虑实际井下钻孔施工可行性，切顶线位于巷道靠近煤柱侧沿工作面倾向布置，见图3.

图3 水力压裂切顶卸压原理图

3 水压预裂切顶卸压方案设计

3.1 参数设计

为改变坚硬顶板在此支撑点的约束条件和断裂特性，促使采空区悬顶及时垮落,根据坚硬顶板的赋存条件，应该促使下位3.01 m厚的石灰岩顶板减小断裂步距及早断裂垮落，同时还应使得其上8.72 m的石灰岩部分顶板及早断裂下沉，以防其自然断裂失稳引起的强烈矿压显现。因此，确定致裂高度为17.5 m，见图4.

图4 28418工作面初采初放水压预裂致裂高度图

3.2 孔位布置

在整个切眼及两巷距离切眼30 m范围内进行水力压裂，见图5.其中，在切眼内每隔12 m布置一组钻孔，每组包括2个，分别为孔A、孔B，钻孔A垂直于煤壁向前施工，钻孔仰角为45°，长度为24 m.钻孔B平行于切眼、由副巷朝向正巷施工，钻孔仰角为45°，长度为24 m.正巷布置3个钻孔，副巷布置4个钻孔，均平行于巷道朝向采空区施工，钻孔仰角为45°.

图5 28418工作面水压预裂钻孔布置图

3.3 其它参数

钻孔A、B、C、D直径均为55～65 mm，每个孔压裂4～5段，每段的压裂时间控制在20～30 min，水压值控制在30～50 MPa.

4 水压预裂切顶卸压技术效果分析

为判定水力预裂效果，从下面4个方面进行分析：

4.1 压裂水压分析

通过对工作面15组施工孔及两端头7个施工孔，共166段压裂段压力进行汇总分析，见图6.

图6 工作面水力压裂水压统计分析图

从图6可以看出：

1)无论是工作面两个方向的预裂孔还是两端头的预裂孔，分析同一位置不同压裂段水压规律，均表现出一定的规律性，即随着压段数增加，压裂所能达到的压力越小。由于压裂采用从孔底压裂一段退后一段的作业方式，说明越靠近孔口压裂所达到的压力越低，这是由于孔底段高压水力压裂后，可能在孔壁形成沿孔壁走向的裂隙，导致在下一段压裂区孔壁围岩力学性能降低，高压水从裂隙中渗出，表现出压力逐渐较低的趋势。也就是说，出现这个曲线规律，即表明预裂孔壁已形成裂隙。

2)分析同一压裂段不同位置水压规律，无论是沿切眼方向还是沿煤壁方向，整体表现为有规律性的震荡曲线，两个较高压力的预裂孔中间总是存在一个压力较低的预裂孔，这是由于高压水力预裂本孔后裂隙延伸至相邻孔。如1组A孔预裂后，部分裂隙会传递至2组A孔周围，导致2组A孔在预裂时无法达到高压，也就无法在3组A孔附件形成裂隙，3组A孔在预裂时又可以达到较高压力，以此类推，形成循环曲线。也就是说，相邻两个孔壁之间的围岩已形成贯穿裂隙。

3)两端头压裂孔表现出相同曲线特性。

4.2 钻孔窥视分析

分别选取副巷端头及工作面两端、中部进行窥孔验证，同时建立23#架对比孔，对该钻孔压裂前后进行钻孔窥视，结果见图7.由图7分析可知，在13 m、16 m、18 m、21 m、23.5 m处压裂前孔壁成孔较好，完整度高，在这5段分别进行压裂后在孔壁均形成沿孔壁走向裂隙，特别是16～20 m段，受高压水冲击，形成明显的轴向劈裂缝隙，且贯穿形成约2.5 m长的对称贯通裂隙，压裂效果非常好。

图7 23#架压裂前后钻孔窥视结果图

对59#架A、B孔、111#架A孔、119#架A孔压裂后进行钻孔窥视，见图8，可观察到所压4个孔均出现走向裂隙，裂隙出现最明显的地段在18～21 m，即压裂的第二段和第三段，可见大量裂隙及淋水现象，裂隙以劈裂径向裂隙为主。如59#架A孔13 m、111#架A孔15 m处等，有些环形裂隙可以看出是本孔及隔壁孔高压水冲击形成，如119#架A孔18 m处。

图8 各孔压裂后钻孔窥视结果图

111#架A孔形成的裂隙效果要优于119#架A组，这两组属相邻预裂孔位，根据图6可看出，111#架A孔水压要明显高于119#架A孔，符合压裂水压分析结论。

综上分析可得出结论：钻孔深部围岩较稳定，第一段压裂后很难形成较明显的裂隙，主要起弱化作用，而随第二次以上高压预裂，裂隙逐渐增多，宽度和长度也有明显提高。

4.3 施工期间现场反馈

通过现场观察，约有7成以上的孔在进行水力预裂的过程中，隔壁孔会有水流流出，表明这两个孔之间有导水裂隙的存在，同时在作业过程中，会听到顶板发生断裂、错位而导致的“隆隆”声，这些现象的出现也从一定程度上反映出了水力预裂的现场效果较为理想。

4.4 顶板垮落效果

28418综放工作面初次基本顶垮落情况见表1.由表1可以看出，当工作面回采至20 m时基本顶即全部垮落，且在初采初放过程中表现出明显来压现象，通过与采用相同采煤工艺的28417综放工作面相比较，可以看出，初次垮落步距缩短了19 m，时间提前了8天，水力压裂效果要明显优于深孔爆破切顶方式。

表1 28418工作面基本顶垮落对比情况表

5 结 论

1)在综采工作面回采期间矿压规律分析的基础上，对水力预裂切顶卸压力学机理进行了理论分析，研究了坚硬岩体水力压裂裂缝开启与扩展规律，对水压预裂参数设计进行了确定，为水压预裂技术成套应用提供理论依据。

2)水压预裂切顶卸压技术在官地矿28418工作面初采初放期间成功应用，回采至20 m时基本顶全部垮落，且在初采初放过程中表现出明显来压现象，使用效果良好。