坚硬顶板下综采面回采初期水力致裂控制技术应用

张振波

（山西省高平市科兴米山煤业有限公司，山西 高平 048400）

我国的能源赋存特征决定了煤炭的主体消费能源地位，虽然目前国家大力推广能源结构调整，但是随着国民经济的快速发展，煤炭需求量仍然呈现出增长趋势。煤炭高效生产的前提是安全，目前我国煤炭主要采用地下开采方式，地下开采面临着各种各样的灾害，其中顶板灾害是煤矿五大灾害之一，直接影响到煤矿的高效生产[1-2]。受地层运动影响，我国煤层赋存条件复杂。相关统计显示，我国有30%以上的煤层赋存坚硬顶板，有超过50%的矿区分布坚硬顶板。在大同、晋城等矿区，工作面事故中有70%～80%属于冒顶事故。坚硬顶板具有完整性良好、强度较高、易出现悬顶等特点，其垮落步距大，来压剧烈，尤其是综采面回采初期，易诱发明显的动力灾害[3-4]。针对坚硬顶板控制难题，目前常采用爆破预裂和水力致裂方式进行治理，由于爆破预裂方式消耗大量的炸药，易产生有毒有害气体，且爆破效果控制难度较大，与之相对比的是水力致裂控顶效果较好，也能解决坚硬顶板的控制难题[5]。

1 工程概况

米山煤矿15112 综采面位于井田的东部，井下标高742～817 m，地面标高920～971 m，盖山厚度约178～154 m，15112 综采面北部为15113 准备工作面，东部为保安煤柱，南部为15111 采空区，西部为15104 运输巷。本工作面所采煤层为15 号煤，工作面长度145.5 m，走向长度平均为1227 m，煤层平均厚2.7 m，煤层倾角3°～8°。煤层直接顶赋存6.2 m 厚的坚硬顶板K2 石灰岩，底板为泥岩、铝土质泥岩，厚度4.77 m。

2 坚硬顶板水力致裂控制技术

2.1 坚硬顶板水力致裂原理

地下岩层由多种矿物质组成，其结构复杂，存在大量遇水易膨胀的黏土矿物，岩体内部也发育大量节理、裂隙，具有各向非均质性。通过高压水作用，改变岩层结构及理化性质，降低岩层黏结力，弱化岩体强度，促使岩体内部节理、裂隙二次发育、扩展，进一步破坏岩体整体强度。坚硬顶板水力致裂控制技术就是通过高压水弱化岩体强度的特点，在坚硬顶板岩层内注入高压水，在高水压及渗透作用下，改变岩层结构及理化性质，致使岩体内部的节理与裂隙二次发育、扩展，降低岩体整体强度，从而实现对坚硬顶板的有效控制[6]。

2.2 坚硬顶板水力致裂控制技术

通过在15112 综采面切眼及工作面两顺槽布置定向水力致裂钻孔，通过高压水对坚硬顶板进行水力致裂，具体技术参数如下：

（1）切眼内定向水力致裂钻孔布置

沿15112 综采面切眼内布置两排定向水力致裂钻孔，分别布置在工作面前方和后方煤壁（以推进方向为前），距底板2.5 m 施工。前方煤壁施工的定向水力致裂钻孔与水平方向的夹角为60°，钻孔直径设计75 mm，钻孔深度设计7.0 m，孔间距设计15 m；后方煤壁施工的定向水力致裂钻孔与水平方向的夹角为80°，距底板2.5 m 施工，钻孔直径设计75 mm，钻孔深度设计12.0 m，孔间距设计为15 m，与前方煤壁施工的定向水力致裂钻孔交错布置。钻孔布置平面图、断面图如图1 和图2。

图1 切眼内定向水力致裂钻孔布置平面图（m）

图2 切眼内定向水力致裂钻孔布置断面图（m）

（2）顺槽内定向水力致裂钻孔布置

沿15112 综采面水槽内布置两排定向水力致裂钻孔，分别布置在工作面侧和煤柱侧，距巷帮1.0 m 施工。布置的定向水力致裂钻孔垂直于顶板施工，钻孔直径设计32 mm。工作面侧钻孔深度设计6.0 m，孔间距设计8 m；煤柱侧钻孔深度设计10.0 m，孔间距设计8 m，与工作面侧施工的定向水力致裂钻孔交错布置。钻孔布置平面图、断面图如图3 和图4（图中以回风顺槽为例）。

图3 顺槽内定向水力致裂钻孔布置平面图（m）

图4 顺槽内定向水力致裂钻孔布置断面图（m）

（3）水力致裂参数与工艺

水力致裂参数主要为水压和注水时间，水压设计为30～50 MPa，注水时间设计为20～30 min，具体参数可根据现场反馈效果优化。水力致裂工艺如下：

① 水力致裂设备安装调试；

② 检查并确保封孔器保压及工作情况；

③ 操作人员及相关设备距定向水力致裂钻孔20 m 以上距离，并进行警示，压裂时期禁止人员靠近；

④ 水力致裂工作时，应缓慢加压，压力突然下降后，进行保压工作，使裂纹充分扩展；

⑤ 水力致裂结束后，进行封孔器卸压工作。

3 坚硬顶板水力致裂效果

15112 综采面回采初期采用了坚硬顶板水力致裂控制技术，技术应用后采用钻孔窥视仪对致裂效果进行了窥视，如图5 所示。由图可知，孔口位置主要为原生裂隙，未受水力致裂影响，而孔底位置分布多条横向和径向裂缝，表明了明显的致裂效果。在工作面回采初期进行矿压监测，结果显示，15112 综采面初次来压步距在25.0～29.9 m 范围，平均27.1 m；初次来压强度在27.8～35.1 MPa 范围，平均33.0 MPa；动载系数1.31。矿压监测结果见表1。

图5 致裂钻孔窥视图

表1 15112 综采面初次来压监测结果

根据15112 综采面邻近工作面矿压监测结果，图6 给出了坚硬顶板水力致裂技术应用后初次来压情况对比。未采用坚硬顶板水力致裂技术时，工作面初次来压步距和强度分别为46.8 m、48.5 MPa；采用坚硬顶板水力致裂技术后，来压步距和强度均有显著降低，分别降低了42.1%、32.0%。表明坚硬顶板水力致裂技术有效改变岩层结构及理化性质，降低坚硬顶板整体强度，实现了对坚硬顶板的有效控制，避免了15112 综采面回采初期出现悬顶现象。

图6 水力致裂技术应用前后初次来压情况

4 结论

米山煤矿15112 综采面顶板赋存坚硬顶板岩层，为防止综采面回采初期大面积悬顶诱发的动力灾害，提出采用坚硬顶板水力致裂控制技术，设计了水力致裂控制技术和参数。采用坚硬顶板水力致裂技术后，孔底位置分布多条横向和径向裂缝，有明显的致裂效果，工作面来压步距和强度分别降低了42.1%、32.0%，表明坚硬顶板水力致裂技术降低了坚硬顶板整体强度，实现了对坚硬顶板的有效控制，避免了15112 综采面回采初期诱发的动力灾害。