坚硬顶板综放面水力压裂技术研究及应用

王浩华，孙小东

（山西王家岭煤业有限公司，山西 忻州 036600）

在煤矿开采过程中，难垮落的顶板具有煤层顶板岩石强度大、弹性模量大、节理裂隙不发育、厚度大、完整性好，自承载能力强的特点，容易造成大面积冒顶事故，生命和财产安全存在重大威胁[1-2]。水力压裂控制顶板技术具有工程量小、安全性高、施工速度快和控顶效果好等特点，能够有效解决综放工作面邻近采空区巷道受动压的影响程度，降低支护难度，可使顶板岩层定向压裂、破坏顶板岩层的完整性，进而削弱顶板的强度和整体性，使采空区顶板能够分层分次垮落，缩短初次来压和周期来压步距，达到减小或消除坚硬难垮顶板对工作面回采危害的目的[3-5]。

1 工程概况

王家岭煤矿主要开采4 号煤层，厚度4.6～10.17 m，平均7.6 m。煤层倾角为5°～8°，平均6°。18109 工作面伪顶为0.5～1.0 m 的厚炭质泥岩、泥岩和煤线，直接顶为3.1～6.8 m 厚的砂质泥岩、泥岩，单轴抗压强度为28.1 MPa，老顶为2.5～9.75 m 中粒砂岩、细粒砂岩，单轴抗压强度为43.1～71.1 MPa。根据邻近以往工作面开采经验，工作面开采过程中两顺槽顶板垮落不充分时可能会对本工作面两巷产生压力传递，造成两巷矿压显现较为剧烈，支架立柱安全阀长时开启、立柱下沉明显，煤壁片帮严重，回风顺槽超前段顶板下沉、底板鼓起、两帮出现网兜，端头悬顶面积约为30 m2。

2 水力压裂切顶机理

水力压裂切顶卸压是指通过布置钻孔垂深为煤层到老顶岩层的距离、一定间距的钻孔切槽，在采空区侧上覆岩层预制切缝，钻孔注入高压水，采取“定点分层压裂”工艺，受高压水作用产生裂隙并控制裂纹在岩层中的扩展方向，在顶板形成一个“准破裂面”，同时破坏上覆岩层岩石的强度和完整性。工作面回采时，采场发生周期来压，采空区顶板发生垮落，上覆岩层沿着预制的“准破裂面”断裂，即上覆岩层沿着切缝方向切断垮落岩层与回采巷道上方顶板的连接关系，减小回采巷道上覆岩层在采空区形成的悬顶距，从而减轻回采时超前支承压力对回采巷道的影响，降低回采巷道维护难度。

正常回采顶煤压裂用脉冲与常规组合水力压裂：通过脉冲泵的高频冲击作用在坚硬煤体内的各个方向形成大量的裂缝，不仅提高了裂缝的数量，而且突破节理、层理对均匀压裂的制约，然后通过更换成高压泵，对脉冲形成的水压裂缝进行进一步补充压裂，持续增大裂缝的扩展范围，有效减小顶煤块度。水力压裂破碎顶煤的同时，提高了顶煤的含水率，也有利于工作面的防灭火和工作面的防尘。

3 水力压裂切顶设备

水压压裂装备系统主要包括：钻机、钻杆、钻头、高压泵站、脉冲泵、水箱、高压胶管、控制阀、封孔器、流量监测仪表、水压监测仪表。

4 水力压裂设计方案

4.1 压裂钻孔高度（层位）及钻孔参数确定

18109 工作面直接顶均厚为5.0 m，单轴抗压强度为28.1 MPa，老顶均厚为6.13 m，单轴抗压强度为43.1～71.1 MPa。4 号煤层均厚7.6 m，采高3.5 m，放煤高4.1 m，压裂垂高设计在15～20 m，由于压裂半径可达10 m 左右。根据高压水预裂理论、最大拉应力准则及18109 工作面切眼顶板岩层结构、岩层厚度、岩性及采高、结合弹性理论及现场经验，可估算静水压力应不小于岩石的单轴饱和抗压强度，即不小于71.1 MPa；同时由于压裂岩石为三向受压状态，故静水压裂需要适当加大，最大压力选择75 MPa。

4.2 切眼及两端头、两顺槽压裂孔布置及参数

工作面开采前，在切眼内用气动锚杆钻机垂直施工钻孔，布置钻孔12 组，开孔距离切眼煤壁1 m，钻孔深度为14 m，钻孔间距为15 m，钻孔直径为50 mm。

两端头压裂孔布置，开采前，在前后端头向外15 m，超前支护段内用风动锚杆钻机垂直施工钻孔，布置钻孔2 组，开孔位置靠近煤柱侧1 m，钻孔直径50 mm，钻孔深度为14 m。

运输顺槽和回风顺槽钻孔布置自切眼向外25 m开始布孔，两顺槽钻孔相互错开布置。1 号—6 号孔，开孔位置距离底板1.5 m，终孔位置位于老顶之间，钻孔直径75 mm。S1 和S2 号开孔位置距离底板1.5 m，终孔位置距离顶板1 m，钻孔直径75 mm。奇数钻场布置4 个钻孔，偶数钻场布置1 个钻孔，钻场间距15 m，依次循环布置施工，两顺槽共计钻场168 个。钻孔各参数如表1。

表1 压裂孔参数

5 压裂效果监测

为了评价压裂效果，在工作面运输顺槽和回风顺槽布置监测测站，共布置3 个测站，每个测站布置2 个空心包体、4 个钻孔应力计和1 个表面位移测点，在对应位置分别布置表面位移测点，监测巷道表面位移变化。高压水力压裂管路上安设无线数据采集仪、流量监测仪，实时监测、采集压裂管路压力及流量变化。距孔口12 m 位置压裂各管路压力情况分别见图1。

图1 距孔口12 m 位置压裂管路压力情况

由监测结果可知，裂缝破裂压力基本低于裂缝扩展压力，表明横向切槽可有效降低裂缝起裂压力。总的来说，管路压力曲线中短时波动，可认为与煤层破裂—贯通有关，水流经过“受阻—压力升高—煤层被压裂贯通—阻力减小压力下降”过程，在压力曲线上表现为明显波动，这与现场实验描述中的“明显脆响”相一致。

6 结论

通过在王家岭煤矿工作面开展的水力压裂切顶卸压技术控制坚硬顶板研究，主要得出如下结论：

1）采用水力压裂处理技术后，裂缝扩展半径约为30～35 m，工作面在推进12.5 m 开始垮落，老顶的初次来压步距为15 m，周期来压步距平均为13 m，来压强度低，显现不明显。

2）采用水力压裂处理技术后，巷道在回采期间经受超前压力影响，巷道两帮移近量最大为125 mm，顶底板最大移近量为50 mm。

3）通过现场监测及顶板垮落过程可知，水力压裂区域范围内未出现明显顶板压力增高区，工作面端头区域内顶板基本随采随垮，有效地缓解临近工作面的动压影响。