中厚煤层坚硬顶板水力压裂初采初放技术应用研究

吴同勋

(煤炭工业太原设计研究院集团有限公司，山西 太原 030000)

1 工程概况

西冯街煤业3402综放工作面位于矿区北部区域，回采区域地表位于引渠村以东660～810 m，地面标高+595～+676.4 m，煤层埋深122～206 m，采动区域内，地表为山地，无河流，地势呈南高北低，开采范围及其四周120 m范围内无任何建筑物。3402综放工作面井下位于四盘区胶带巷左翼160～310 m处，东部为3403采空区，南部为四盘区回风巷、四盘区胶带巷、四盘区轨道巷；西部为3401采空区；北部为矿界保安煤柱。工作面所开采3号煤层属二叠系下统山西组，煤层厚度平均2.95 m，煤层倾角1～5°，煤层厚度比较稳定，煤硬度为f=3～4，工作面采高3.0 m，采用走向长壁，综合机械化放顶煤采煤方法，全部垮落法管理顶板，顶底板岩性特征如表1所示。3402工作面老顶硬度大、厚度大，自行垮落困难，威胁矿井的安全高效生产。

表1 3402工作面顶底板岩性特征

2 3402工作面老顶分级等级

结合西冯街煤矿3号煤层以往采煤工作面的矿压现象规律，3402工作面上方均厚16.5 m长石砂岩为老顶，为关键层，该岩层是否垮落对于回采工作面及巷道内的矿压现象特征具有显著影响，老顶初次垮落引起工作面老顶初次来压，老顶初次来压当量Pe可作为判别老顶来压强度的依据，其计算公式为[1]：

Pe=241.3lnLf-15.5N+52.6h2

(1)

式中：Pe为老顶初次来压当量，kPa；Lf为老顶初次垮落时工作面推进距离，m；N为采空区直接充填系数，h1/h2，h1为直接顶及伪顶厚度，m；h2为采高，m.

西冯街煤矿3号煤层与3402工作面类似地质条件和开采技术条件工作面初次来压步距为80 m左右，3402工作面直接顶和伪顶厚度1.5 m，工作面采高为3.0 m，h1=1.5 m，hm=3.0 m，由公式(1)计算可得3402工作面老顶初次来压当量为1 207.43，参阅相关研究成果[1]，老顶初次来压等级为IVb等级，老顶来压时工作面及巷道内来压显现将非常强烈，存在引发安全事故的隐患。根据老顶初次来压当量的计算公式可以看出，对于某一特点工作面，其采高、直接顶、伪顶厚度为确定值，则老顶初次来压当量与初次来压步距呈正相关，因此可采取人工放顶措施来减小老顶初次来压步距，进而减小老顶初次来压当量。

3 水力压裂参数确定

为减小3402工作面老顶初次来压步距，设计采用水力压裂技术处理长石砂岩老顶，为取得理想的切顶效果，本节对水力压裂的关键参数进行选定。

3.1 压裂高度分析

压裂高度对于预裂效果至关重要，结合类似地质条件下相关研究成果，压裂高度需不小于垮落带高度和老顶高度的最大值，3402工作面顶板为坚硬岩层，其垮落带计算公式[2]：

(2)

式中：Hm为垮落带高度，m；∑M为工作面采高，m；3402工作面采高为5.28 m，计算可得其垮落带发育高度为4.72 m，老顶最大高度(距采煤工作面顶板)为20.82 m，因此水力压裂垂直高度应不小于20.82 m.

3.2 压裂方位角的选择

水力压裂初始阶段，水力裂纹沿钻孔内切槽方向扩展，扩展到一定范围后，水力裂纹将沿着最大主应力方向延伸扩展[3-4]，因此压裂钻孔沿着与最大主应力平行的方向将取得最佳的切顶效果，根据3402工作面相关资料可得，3402切眼最大主应力方向为N1.6°W，工作面向沿东西方向布置，沿正北方向推进，为方便现场施工，设计钻孔方位角沿正北方向，如图1所示。

图1 压裂钻孔方位角选择

4 3402工作面水力压裂方案设计

结合前文研究成果，提出3402工作面压裂钻孔布置方案，在切眼内靠近工作面一侧布置①类、②类两种钻孔，分别为S孔、L孔，钻孔直径56 mm，呈交替布置，S孔与水平方向夹角50°，L孔与水平方向夹角30°，方位角均沿正北方向，S孔长度28 m，垂直高度21.45 m，L孔长度30 m，垂直高度15.0 m，S孔、L孔交替布置，靠近工作面端头的4个钻孔间距为10 m，工作面中部其余钻孔间距15 m；切眼另一侧及两侧回采巷道中部顶板布置③类钻孔，垂直巷道顶板施工，直径35 mm，深度10 m，间距10 m，切眼、两侧巷道分别布置20个，钻孔布置如图2所示。S孔切顶高度高，L孔切顶水平范围长，两类钻孔交替布置可达到增大压裂范围的目的，两类钻孔与水平方向夹角不同，水力裂纹延伸方向将存在交叉，可实现多层次、立体化预裂破断的目的。

图2 3402压裂钻孔布置示意

现场实际施工过程中，首先进行切眼前方S孔、L孔的交替压裂，两侧回采巷道顶板超前回采工作面10 m进行压裂工作，切眼背部钻孔在工作面推进8～10 m后进行压裂工作，采用ZDY650型矿用钻机进行钻孔施工，S孔、L孔孔内每隔4 m设置1个切槽，每个孔共7个横向切槽，切眼背部和巷道内的C孔不进行切槽，每个孔仅压裂一次，压裂位置距孔口5 m.S孔、L孔采用 FKss-45/40 型双向孔器封孔，采用 3ZSB80/62-90 型高压水泵，每个压裂钻孔压裂7次。

5 应用效果分析

3402工作面采煤机每刀进尺 0.8 m，在回采11.2 m后，上三角区域顶板开始大面积垮落，继续推进2.4 m后，下三角区域顶板开始垮落，工作面共回采24.8 m后，由支架间可观察到顶板岩层已垮落充填采空区，顶板出现大面积垮落，现场情况如图3所示。工作面回采过程中，经常听到顶板破断的清脆声音，可分析总结顶板出现了分层、分段断裂垮落的现象，如图3(c)所示，直接顶垮落早于老顶，且垮落距离超前于老顶，老顶破断后逐渐弯曲下沉，老顶破断时现场未出现明显的震动现象。

图3 现场工作情况及顶板垮落情况

3402工作面回采期间，监测液压支架的循环末阻力，并以其均值与均方差之和作为顶板来压的判据，将由运输巷至轨道巷分为上、中、下3个测区，计算整理得到工作面上、中、下各部位支架循环末阻力变化情况如图4所示。3402工作面液压支架额定工作阻力10 000 kN，各液压支架的工作阻力均未出现超出其额定工作阻力的现象，工作面上、中、下区域初次来压步距分别为51 m、41 m、44 m，工作面初次来压步距均值为46.6 m，将此时周期来压步距代入老顶来压当量计算公式，老顶初次来压时Pe=1 063.56，老顶分级指标为III级，老顶来压期间工作面及回采巷道内矿压显现由非常强烈降为强烈，有效将老顶来压显现等级降低一级。

图4 支架工作情况

6 结 语

1) 西冯街煤矿3402工作面老顶初次来压当量Pe=1 207.43，老顶分级为IVb等级，老顶初次来压时预计工作面及回采巷道内将出现剧烈的矿压显现现象，威胁矿井的安全生产。

2) 3402工作面顶板预裂垂直高度应不小于20.82 m，预裂钻孔沿正北方向布置切顶效果较好，结合具体地质及开采技术条件，设计一套适用于3402工作面的水力压裂切顶方案。

3) 3402工作面回采期间，顶板出现了分层、分段断裂垮落的现象，老顶破断时现场未出现明显的震动现象，液压支架工作面阻力满足要求，工作面初次来压步距46.6 m，老顶初次来压当量为1 063.56，老顶分级降为III级，工作面及回采巷道内矿压显现程度由非常强烈降为强烈，实现了工作面安全高效生产。