水压预裂技术在工作面坚硬顶板中的应用

魏上津 牛佳波 胡志华

（陕西有色榆林煤业有限公司，陕西 榆林 719000）

陕西有色榆林煤业有限公司杭来湾煤矿302 盘区采煤工作面采用一次采全高采煤工艺，可采煤厚度6.4～8.5 m，平均7.5 m。工作面顶板稳固性较好、整体性强，自稳能力较强，采煤过程中易形成两端头三角区域大面积悬顶集中突然垮落，产生巨大冲击载荷和飓风，对设备造成严重损坏且威胁作业人员安全。鉴于此，在30201 工作面胶运顺槽研究试用了水压预裂技术，取得了较好的强制放顶效果。

1 工程概况

30201工作面位于3号煤层，该煤层平均厚度7.5 m，煤层埋深115.90～268.05 m。工作面煤层倾角为0.2°～0.5°，平均0.3°，采用综采一次采全高采煤工艺。该煤层层位稳定，结构较为简单，局部含2 层泥岩夹矸，夹矸厚度0.3 m。直接顶板以粉砂岩、泥岩为主，厚度0.08～49.86 m，变化较大；直接底板以粉砂岩、泥岩为主，厚度0.22～10.25 m。

胶运顺槽净断面宽×高=6.4 m×4.0 m，切眼掘进宽度11.5 m、高度5.0 m。30201 工作面胶、辅运顺槽及联巷掘进过程中，顶板采用钢筋网片、锚杆支护，胶运顺槽正帮采用Φ20 mm×1800 mm 玻璃钢锚杆，副帮采用Φ18 mm×2100 mm 金属锚杆。

2 传统卸压技术综述

传统卸压技术包括切缝卸压技术、打孔卸压技术、松动爆破技术。

2.1 切缝卸压技术

切缝卸压技术主要用于巷道卸压，多采取底板切缝卸压方式。切缝卸压技术实施过程中，存在切缝施工难度大、工作量较大、施工工期较长等缺点。巷道切顶卸压技术实施之后，底鼓量显著减小，但是往往会导致应力向两帮转移，引发巷道片帮。

2.2 打孔卸压技术

打孔卸压技术是通过在工作面煤帮侧施工大量斜向钻孔，达到工作面顶板应力后移、切断大面积悬顶的效果。该方式能够实现工作面顶板围岩应力的后移，保证采煤工作面的安全，并且能够达到切断悬顶的效果。但是该方式存在卸压孔多、工作量大、施工进度慢等缺点。

2.3 松动爆破卸压技术

该技术是在工作面顶板施工钻孔，装填炸药对工作面顶板实施松动爆破，达到卸载卸压的效果。该技术存在爆破卸压效果难控制、高瓦斯矿井实施爆破风险大、浅埋扩井爆破控顶易对地面构成一定威胁等缺陷，实际应用较少。

上述3 种技术方法在转移工作面围岩附近应力、有效释放岩体高应力、缓解动压方面均有较好效果。但是以上3 个技术方法普遍存在工程量大、实施周期长、施工成本高等缺点，尤其是松动爆破卸压技术的安全性差、爆破效果难控制。因此，以上3 种技术方法均未在工作面坚硬顶板中得以推广应用。

3 水压预裂技术

3.1 水压预裂技术简介

水压预裂技术施工工艺成熟、操作简单、弱化顶板效果可靠，能够有效缩短周期来压步距，属于无公害的强制放顶技术。该技术是指针对坚硬难垮顶板，预先施工注水深孔并实施高压注水，实现坚硬难垮顶板分段预裂、切断坚硬顶板之间相互联系，避免大面积悬顶形成，达到顶板分段自行垮落的目的。水力压裂能够实现顶板岩层的定向切割、转移煤岩体承载高应力至深部围岩，起到有效削弱岩层的整体性和稳定性的效果。并且水力压裂技术存在切顶卸压可靠性高、施工工程量小、施工周期短、施工成本低以及适应范围广（如高瓦斯矿井）等优点，能够适用于工作面坚硬顶板卸压工作。

3.2 作用原理

该技术作用原理包括压裂卸压、注水软化两个方面。钻孔高压注水形成裂缝并扩展，破坏坚硬顶板的整体性，削弱顶板整体强度；高压水沿着裂缝和裂隙渗入顶板岩石，达到软化顶板围岩、降低顶板强度的效果，促使悬顶分层分次有序垮落[1-2]。

通过水力压裂实现顶板围岩的定向切割，有效控制工作面两侧孤形三角板的悬臂长度；辅之以高压注水实现切缝周边围岩的弱化，实现采空区顶板的及时有序垮落，避免大面积悬顶的出现；同时，水压预裂技术切断相邻工作面的应力联系，避免采动应力向进风巷的传递，限制顶板覆岩大结构回转下沉，有效避免了相邻工作面的动压相互影响程度。

3.3 施工流程和系统组成

顶板水力预裂包括封孔、高压水压裂、保压注水预裂三大工序。水压预裂技术施工流程：液压坑道钻机施工深孔→跨式膨胀型封孔器封孔→3ZSB80/62-90 型高压水泵注水→保压形成预制裂缝。保压阶段裂纹扩展会导致孔内水压下降，此时须利用流量水压监测仪动态监测流量及注水量，保证顶板岩层充分注水弱化。

注水压裂系统主要由封孔器、静压水进水管路、高压水泵、流量水压监测仪组成。1）封孔器由中心管和封隔器胶筒组成，通过中心管注入高压水，封隔器用以密封高压水压裂围岩；2）注水管作用主要包括作为连接构件将封隔系统送至预定位置、作为加压通道对封隔的钻孔段进行压裂两个方面；3）高压水泵的作用是给压裂段加压预裂，额定压力62 MPa；4）流量水压监测仪采用KJ327-F 型，对水压致裂数据进行采集、显示、记录，并将采集数据（预裂压力、流量等信息）传送给计算机进行分析计算。

4 水压预裂技术试验参数设计

根据30201 综采工作面胶运顺槽以往顶板悬顶情况，初步确定本次水力压裂施工的范围为30201工作面胶运顺槽23 联巷～19 联巷300 m 以内。

4.1 水压预裂高度和宽度的确定

30201 综采工作面覆岩类型为中硬～坚硬型，煤层倾角0.3°。根据《“三下”采煤规程》垮落带发育高度可采用以下计算公式[3]：

式中：Hk为垮落带高度，m；∑M为采煤厚度，30201 工作面采高7.5 m。

根据杭来湾煤矿开采条件可知，其垮落带高度Hk为21.12～26.12 m， 结 合ZK115、SZK125、SZK135、SZK145 四个钻孔柱状图，垮落带范围内完整岩层距离巷道顶板的高度分别为24.67 m、17.41 m、24.83 m 和21.16 m。结合垮落带发育高度计算结果及四个钻孔柱状图数据，初步确定水力压裂处理高度为25 m。

根据302 盘区大采高综采工作面每月基本出现6～8 次端头三角区大面积悬顶现象，最大悬顶走向长度40 m、倾向长度20 m，初步确定本次30201工作面端头处理范围为工作面倾向 0～20 m内顶板。

4.2 水压预裂孔参数

为保证工作面端头顶板及时垮落，避免顶板大面积悬顶垮落对工作面安全生产的影响，在工作面侧帮和巷道顶板布置压裂钻孔。设定预裂区域、钻孔方位、预裂参数等，促使采空区顶板冒落，削弱采空区顶板完整性，降低采空区悬顶[4]。设计参数和布置方式如表1、图1。

图1 30201 胶运顺槽水力压裂钻孔布置图（m）

表1 钻孔参数表

根据初步确定的施工范围，合计施工30 个J 孔、15 个L 孔、15 个S 孔，施工钻孔总进尺为30 个×39 m/ 个（J 孔）+15 个×45 m/ 个（L 孔）+15个×33 m/个（S 孔）=2340 m。

5 施工工艺和设备组成

5.1 钻孔施工

采用液压坑道钻机配合KZ54 型切槽钻头施工钻孔，钻孔直径56 mm。KZ54 型切槽钻头外径为54 mm，切槽位置半径为112 mm（钻孔半径的2 倍），横向切槽形状如图2，其作用是实现可靠封孔。

图2 横向切槽形状示意图

5.2 顶板水力压裂施工工艺

5.2.1 封孔工艺

采用跨式膨胀型封孔器进行封孔（如图3）。该封孔器放入钻孔横向切槽段，采用高压手动泵输送封孔介质（30201 工作面选用高压水），实现封孔。封孔需注意进行打压试验，手动泵打压10 MPa并稳压5 min 以上，以达到预定的封孔效果[5-8]。封孔系统的安装与连接如图4。

图3 跨式膨胀型封孔器封孔原理图

图4 封孔系统连接示意图

5.2.2 高压水力压裂工艺

高压水力压裂采用3ZSB80/62-90 型高压水泵，该水泵注水压力可达80 MPa，流量为60 L/min，电机功率为90 kW。

压裂钻孔J、L、S 长分别为39 m、45 m、33 m，压裂钻孔浅部（6 m 范围以内）不压裂，以保护巷道锚索支护结构。剩余段每隔3 m 压裂一次，压裂钻孔J、L、S 的压裂次数分别为11 次、13 次、9 次，每次注水压裂时间30 min，注水量62 L/min。

6 实施效果

经现场钻孔窥视、工程现场验证表明，水压预裂技术实现了30201 工作面坚硬顶板有序周期性垮落，有效避免了大面积悬顶的集中垮落导致的安全风险[9]。

6.1 钻孔窥视切割效果

图5 为钻孔窥视仪视频截图。根据钻孔窥视图可知，水压预裂切缝效果明显，在钻孔内切开了2条对称的定向裂隙，裂隙清晰可见，孔壁附近可见裂隙深度200～300 mm。部分顶板岩层较坚硬，可见切割深度在100～200 mm。

图5 钻孔窥视效果

6.2 相邻钻孔漏水观察

现场施工过程中，常见从邻孔出现漏水现象，这一现象表明切缝造成了裂隙发育，相邻钻孔的裂隙相互贯通，达到了切断顶板的要求。

6.3 现场端头悬板情况

未实施水力预裂技术的工作面端头悬板面积较大且垮落不及时，易引发瓦斯积聚、顶板大面积垮落等问题。实施水力切顶预裂技术后的端头悬板及时有序垮落，采空区后几乎没有悬顶，有效避免了端头部位大面积悬顶安全隐患。

6.4 巷道围岩控制情况

未实施水力切顶前，由于采空区顶板垮落不充分以及坚硬顶板造成的压力，巷道超前段存在变形现象，并存在超前单体柱插底现象，部分巷道变形量较大。

实施水力切顶后，由于端头悬顶垮落及时，超前支承压力影响减小，巷道变形得到有效缓解，超前单体柱压力减小，回柱工作比原来更为顺利，工作效率提高[10-12]。巷道使用断面得到了有效保证，超前段通风、行人更加通畅，对于工作面正常生产提供了有利的保障。

7 结论

水压预裂技术的应用可实现30201 工作面坚硬顶板有序周期性垮落，有效避免了大面积集中垮落形成的飓风风险。钻孔窥视可见清晰定向裂隙，相邻钻孔的裂隙相互贯通，顶板切断较为彻底，现场端头悬顶及时有序垮落，同时解决了大面积悬顶引发巷道变形问题。