豹子沟煤业综放工作面水力预裂初次放顶技术研究

陈金涛

（山西煤炭进出口集团 蒲县豹子沟煤业有限公司，山西 临汾 041000）

在煤矿开采中，通常采用全部垮落法管理工作面采空区顶板，但我国大部分煤矿采空区顶板无法随工作面推进及时垮落，如岩石强度高、节理裂隙不发育、厚度大、整体性强、自承能力强等顶板岩层。此类顶板的来压步距往往较大，动力现象明显，威胁煤矿安全开采。针对此类难垮顶板，传统的控制方法基本是以爆破为主，破坏顶板结构，削弱其整体性，达到降低周期垮落步距和来压强度的目的。然而该方法也存在工程量大、成本高、污染井下空气等问题，且对于浅埋深情况，爆破控顶易对地面及周边环境的安全构成一定威胁。本文以豹子沟煤业为例，采用水力压裂切顶卸压技术，保障矿井安全开采。

1 概 况

山煤国际豹子沟煤业现生产水平为+1 050 m，10109 工作面井下位于一采区东北部，开采9+10+11 号煤层。东侧30 m 是山西晋煤集团临汾晟泰新梦源煤业有限公司与豹子沟煤业的井田边界，南部为10103 工作面采空区，西与回风大巷、运输大巷和轨道大巷相连，北部为未开采实体煤层。工作面的运输顺槽断面宽×高为5.2 m×3.2 m（掘进断面），回风顺槽断面宽×高为5.0 m×3.2 m（掘进断面），如图1 所示。9+10+11 号煤层采用综采放顶煤的采煤工艺，沿底板回采，采高2.8 m，顶板采用自然垮落法管理。根据相关钻孔资料，10109 工作面顶板岩性、节理、层理以及层位分布情况见图2、表1。

表1 豹子沟煤业9+10+11 号煤层及其顶底板岩层物理力学特性参数Table 1 Physical and mechanical parameters of No.9+10+11 coal seam and its roof and floor strata in Baozigou Coal Industry

图1 10109 工作面布置Fig.1 Layout of No.10109 Face

图2 10109 工作面顶板钻孔综合柱状图Fig.2 No.10109 Face roof drilling comprehensive histogram

分析10109 工作面顶板钻孔资料可知，其顶板主要为石灰岩，9 号煤与10+11 号煤中间夹含泥岩层。10+11 号煤顶板岩性从下到上依次是0.53 m 泥岩、1.03 m 的9 号煤、12.9 m 石灰岩。石灰岩抗压强度72.5 MPa，致密坚硬；9 号与10+11 号煤层间夹矸泥岩抗压强度为48.2 MPa，强度高，会大幅影响顶煤采出率。

与10109 工作面情况类似的10107 工作面已回采完毕。但在10107 工作面回采时，顶板大面积悬露在采空区，短期内不垮落；而一旦垮落，一次垮落的面积大、高度大，有强烈的周期性来压。10107 工作面顶板的初次来压步距也较大，可达35 m，来压时有明显的动力现象，存在造成支护设备损坏，危及人身安全等恶性事故隐患，给矿井通风、安全管理带来很大的挑战。同时由于在初次来压前不进行放顶煤作业，导致工作面在此期间的顶煤全部丢失顶煤回收量低。

因此，为了提高10109 工作面初采顶煤回收率，降低巷道压力和变形破坏程度，通过分析研究，决定对10109 工作面进行水力预裂放顶，为矿井的安全高效开采提供技术保障。

2 水力压裂原理与技术

水力压裂是指裂纹由于其内部液体压力的作用而开裂并扩展的过程，由于应用领域的不同，有时也称作水压致裂或水力劈裂。水力压裂技术广泛应用于石油、天然气或地热的开采及增产、放射性废物的处置、地应力的测量等领域。

水力压裂切顶技术在煤炭开采领域的应用主要是指在钻孔压裂段预制裂缝，从而控制水力压裂裂纹扩展方向的技术，对坚硬顶板的控制有着非常明显的效果，主要表现在压裂和软化两个方面，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。水力压裂技术具有安全性高、工程量小、成本低及适应性强（如高瓦斯矿井）等特点。该技术已经在晋城、潞安、邢台、伊泰、中煤蒙陕、神东、神南矿区推广应用，取得了良好的技术与经济效益。

3 水力压裂切顶卸压设计

3.1 主要施工机具

此次工程主要施工机具规格见表2。

表2 主要施工机具规格型号及技术参数Table 2 Main construction machinery specifications and technical parameters

3.2 设计方案

根据10109 工作面顶底板岩性综合柱状图可知，工作面上方厚12.9 m 的K2石灰岩和厚0.53 m的泥岩，属于半坚硬-坚硬岩石，为水力压裂的主要处理层位。钻孔参数根据顶板岩层厚度、岩性、矿压显现特点与范围，压裂钻孔布置如图3 所示。

图3 10109 工作面钻孔布置Fig.3 Drilling layout of No.10109 Face

3.2.1 10109 运输顺槽钻孔布置参数及压裂参数

10109 运输顺槽距切巷老塘帮12 m 处，每隔8 m 布置1 组压裂钻孔，每组包含2 个钻孔，即A孔和B 孔，孔径56 mm。共布置A 压裂钻孔4 个，钻孔距未开采实体煤帮（外帮）0.5 m，钻孔深度19 m，仰角50°，与巷道轴线平行，钻孔编号分别为A1、A2、A3和A4；布置B 钻孔4 个，钻孔距顺槽内帮（煤壁帮）0.5 m，钻孔深度21.5 m，仰角50°，水平角30°，钻孔编号分别为B1、B2、B3和B4。压裂钻孔布置如图4 所示。

图4 10109 运输顺槽钻孔布置平、剖面图Fig.4 10109 transport crossheading drilling layout plan,profile

A 钻孔5 m 以内不压裂，K2 石灰岩区段每2 m压裂一次，A 孔压裂7 次；B 孔5.5 m 以内不压裂，压裂8 次。采用从孔底到外的倒退式压裂方式，封孔器封孔压力为10～16 MPa，压裂压力不低于25 MPa，每次压裂保压30 min。

3.2.2 10109 切眼钻孔布置参数及压裂参数

10109 切眼每8 m 布置1 个压裂钻孔（C 孔），C1距运输顺槽8 m，布置C 压裂钻孔共计17 个，孔径56 mm，钻孔深度19 m，仰角为50°，与切巷轴线垂直，钻孔编号分别为C1～C17。压裂钻孔布置如图5 所示。

C 钻孔3 m 以内不压裂，K2 石灰岩区段每2 m压裂一次，每孔压裂8 次；采用从孔底到外的倒退式压裂方式，封孔器封孔压力为10～16 MPa，压裂压力不低于25 MPa，每次压裂保压30 min。

3.3 实施效果

根据豹子沟煤业采掘衔接部署，10109 工作面按水力压裂设计方案现场施工水力压裂钻孔，于2022 年4 月14 日开始进行初采，于4 月30 日零点班工作面采空区顶板大面积跨落，回风顺槽顶板压力明显，工作面液压支架工作阻力持续增加，上下隅角老顶全部跨落。

（1）工作面液压支架最大工作阻力39.8 MPa，解决了回采巷道压力大、变形破坏严重等问题，有效降低巷道的维护成本和维护次数，与未卸压相比，巷道总体变形量减少50%以上，降低返修率30%以上。

（2）该方案缩短了10109 综放工作面的初次来压步距，多回收原煤1.23 万t，经济效益显著。

（3）从安全环保生产角度，项目的实施减少了采空区丢煤量，防止采空区自燃发火，有效解决了上隅角悬顶问题，防止瓦斯积聚，为综放工作面安全高效生产提供保障，同时水力压裂对工作面顶板可以起到一定的注水降尘作用，在保障一线工人职业健康方面具有积极意义。

4 结语

根据豹子沟煤业10109 工作面井下实际环境和作业条件，围绕初采期间顶煤冒落困难、回收率低，回采巷道压力大、变形破坏严重等问题，从坚硬顶板治理的角度出发，引入水力压裂切顶卸压技术，进行了水力压裂放顶工程。现场实践结果表明，水力压裂切顶卸压技术可以使顶板岩层定向压裂、破坏顶板岩层的完整性，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，达到了早垮落早放顶的目的，减小了坚硬难垮落顶板对工作面回采危害，确保工作面初放期间的安全生产，增加工作面的资源回收率，具有一定的推广价值。