铁新煤业坚硬厚层K2 灰岩顶板强制放顶技术研究

杜伟

（山西保利铁新煤业有限公司，山西 晋中 031302）

1 概 况

山西保利铁新煤业有限公司（井田）隶属于中煤华利能源控股有限公司，由原灵石县两渡镇铁新煤业有限公司和部分空白区组合而成，生产规模为120 万t/a，开采2 号、9 号煤层。铁新煤业9 号煤工作面顶板为K2灰岩，厚度6～11 m，普氏系数9～11，工作面在正常回采过程中采空区顶板不易垮落，导致巷道围岩出现不同程度的变形与破坏，工作面两端头区域易形成弧三角大面积悬顶（图1）和瓦斯积聚，严重影响煤矿安全生产，需开展坚硬厚层K2灰岩顶板强制放顶技术研究。

图1 完整坚硬顶板及支架后方悬顶Fig.1 Complete hard roof and the hanging roof behind the support

2 工作面情况

铁新煤业9 号煤层9226 工作面埋深约355～467 m，工作面间煤柱宽度为20 m，工作面巷道轴线方向基本沿着煤层倾向布置。目前工作面距离停采线300 m 左右。煤层倾角1°～9°，倾角平均5°，煤厚1.20～1.40 m，平均厚度1.29 m，该面煤层稳定、煤层厚度变化不大。目前铁新煤业矿井在2 号煤层布置有三采区2301 运输巷、材料巷综掘工作面和2203 综采工作面，在9 号煤层二采区布置有9226 综采工作面和9228 材料巷综掘工作面，采掘比为2∶3。9226 回采工作面长度为150 m，采高为1.5 m。9226 工作面布置如图2 所示，顶、底板地层柱状简图如图3 所示。

图2 9226 工作面布置Fig.2 No.9226 Face layout

图3 9226 工作面顶、底板地层柱状简图Fig.3 No.9226 Face roof and floor strata columnar sketch map

3 强制放顶研究

3.1 坚硬厚层K2 灰岩顶板小孔径预裂技术

井下水力压裂具有施工空间有限、裂缝范围窄、压裂间距小等特点，因其压裂密度高，相同体积岩体压裂所需成本更高。井下压裂一般使用大型钻机施工钻孔，钻孔孔径往往在65 mm 以上。9 号煤层巷道高度为2 300 mm，回采期间巷道内胶带输送机等占用一定巷道空间，受空间限制，采用传统大孔径专用钻机打孔非常困难；锚索钻机体积较小，运输方便，施工组织灵活，但9 号煤层K2灰岩顶板坚硬，锚索钻机扭矩较小，打设大直径钻孔较为困难。因此，为保证生产的安全高效进行，需对大孔径刚性管路水力压裂技术进行改进，提出了小孔径水压预裂技术。

小孔径水压预裂技术预裂钻孔直径为50 mm，先用锚索钻机打设28 mm 先导钻孔，在小钻孔基础上套取50 mm 预裂钻孔，2 台锚索钻机平行施工钻孔，正常施工进度为每天1 孔，能够跟进工作面推进速度，满足生产要求。为保障顶板安全，防止顶板突然超前垮落，预裂施工在超前支护段开展。

3.2 小孔径预裂参数设计

3.2.1 致裂高度与层位

根据巷道的断面尺寸和支护条件，端头悬顶的预裂对象主要为中低位岩层，即通过人造裂隙预裂完整坚硬的灰岩顶板，破坏顶板的完整性，促使岩层及时垮落，因此9226 工作面重点压裂直接顶的K2灰岩层。具体的技术要求为：①端头冒落的岩层厚度要超过巷道的高度；②水力压裂要弱化坚硬灰岩顶板的完整性，并有利于其垮落；③中位岩层的压裂促进下位岩层的冒落。确定水力压裂顶板的高度应为：

式中：M 为巷道高度，m；Kp为碎胀系数。

铁新煤业9226 工作面材料巷道高度为2.3 m，碎胀系数为1.20。根据计算，同时考虑岩层厚度变化，以及顶板垮落矸石充分填充采空区时的切顶高度为11.5 m，铁新煤业9226 工作面材料巷切顶高度初步确定为12 m。

3.2.2 泵站压力

煤岩体在水力压裂过程中，高压水作用于煤体使其产生破裂形成裂缝。根据《煤矿井下强制增渗工程设计规范》（NB/T 10850-2021），水力压裂法泵站压力计算公式为：

式中：P 为致裂水压力，MPa；σH、σh分别为最大、小水平应力，MPa；σt为岩石抗拉强度，MPa；P0为孔隙水压力，MPa。

铁新煤业9226 工作面σH=11.8 MPa，σh=7.83 MPa，σt=10.2 MPa。按更高效压裂考虑，P0取0，则计算致裂水压力P 为21.89 MPa。考虑到泵站工作时会出现泄漏、封孔不充分、泵压稳定等情况，取泵压工作系数为1.2，则此次致裂时所需的高压泵额定工作泵压Pe须满足大于26.27 MPa。

3.2.3 钻孔布置

9226 工作面材料巷端头悬顶水力压裂控制技术方案如图4 所示。在9226 材料巷超前支护段施工钻孔并压裂。每隔6 m 布置一组钻孔，钻孔贴煤柱帮竖直向上施工，开孔位置距离煤帮0.2～0.4 m，深度为12 m，每个钻孔压裂2～4 段，两段之间的间距平均为2～3 m，每段的压裂时间控制在25～30 min。考虑到封隔器的尺寸和损耗率，钻孔直径为50 mm，采用锚索钻机带动50 mm 的钻头施工。

图4 9226 工作面材料巷端头悬顶水力压裂钻孔布置Fig.4 Arrangement of hydraulic fracturing boreholes at the end of the material roadway in No.9226 Face

实施范围为9226 工作面材料巷，长度为150 m，从工作面端头向外预裂。预裂施工前需用钻孔窥视仪查看钻孔内部情况，确定压裂地点，施工后也需进行钻孔窥视，评估预裂效果。若顶板垮落步距达到预期，按试验参数实施后续巷道；若不满足，则降低钻孔排距为5 m，试验30 m，观察预裂效果，直至确定合理参数。

4 预裂效果分析

4.1 钻孔窥视分析

为评估预裂后顶板裂隙扩展效果，采用钻孔窥视仪对顶板钻孔进行窥视，钻孔窥视仪和部分窥视截图如图5 所示。通过钻孔窥视图像可以看出，0～3 m 内顶板裂隙较少，坚硬的灰岩顶板较为完整；3～4 m 内顶板出现少量压裂径向裂隙；4～6 m 顶板较为完整；6～8 m 内出现压裂径向裂隙并有顶板离层现象，表明经水力压裂后，顶板完整性遭到破坏，顶板强度降低，局部出现离层，有利于顶板及时垮落；8～10 m 顶板相对较为完整；10～12 m 顶板存在压裂裂隙。单从顶板窥视来看，压裂点附近均出现径向裂隙，6～8 m 顶板出现离层，压裂效果较为明显。

图5 顶板钻孔窥视典型结果Fig.5 Typical results of roof borehole peeping

4.2 端头悬顶观测

压裂施工后，对工作面后方端头悬顶长度进行观测，部分端头悬顶如图6 所示。现场观测端头顶板的垮落情况可知，压裂后的端头顶板，悬顶距离普遍减小，由压裂前的悬顶距离10～30 m 减小为5 m 以内，端头顶板随采随冒，冒落块度均匀，充填密实，采后无空间，未出现隅角瓦斯超限现象，悬顶问题得到有效治理，实施效果显著。

图6 端头悬顶垮落情况Fig.6 Suspended roof collapse at the end

5 结语

本文以铁新煤业9 号煤层9226 工作面开采为背景，进行了坚硬厚层K2灰岩顶板定向预裂技术研究，针对铁新煤业顶板坚硬和工作面空间限制，提出了小孔径定向预裂施工设备与施工工艺。根据工作面围岩地质条件，设计压裂钻孔深度12 m，泵站压力不小于26.27 MPa，设计压裂钻孔布置参数，用预裂压力、钻孔窥视和工作面端头悬顶长度来监测评价预裂控顶效果。通过现场监测，发现预裂压力稳定，钻孔内裂隙发育明显，压裂后的端头顶板，悬顶距离普遍减小，由压裂前的悬顶距离10～30 m 减小为5 m 以内，悬顶问题得到有效治理，预裂效果比较理想。