水力壓裂技術(shù)在回采面初次放頂中應(yīng)用

于 進(jìn)

（鄂爾多斯市國(guó)源礦業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

受施工工藝、圍巖結(jié)構(gòu)、地質(zhì)條件等影響，綜采工作面回采期間出現(xiàn)頂板不能及時(shí)垮落現(xiàn)象，導(dǎo)致架后采空區(qū)內(nèi)懸頂面積大、瓦斯積聚，大面積頂板垮落時(shí)很容易造成頂板以及瓦斯等事故。我國(guó)目前多數(shù)煤礦主要采取超前退錨索、爆破預(yù)裂等技術(shù)手段進(jìn)行強(qiáng)制放頂，但是傳統(tǒng)放頂措施安全系數(shù)低、施工難度大且效果差。本文以鄂爾多斯市國(guó)源礦業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司龍王溝礦南翼61610 首采工作面為研究對(duì)象，對(duì)工作面初采期間頂板采取水力壓裂技術(shù)[1-5]，通過對(duì)頂煤頂板超前水壓致裂，破壞基本頂整體穩(wěn)定性，降低巖體強(qiáng)度，縮短工作面初采時(shí)來壓步距，降低了工作面初次來壓強(qiáng)度，削弱初次來壓對(duì)工作面液壓支架沖擊破壞作用，從而提高工作面安全回采系數(shù)。

1 概況

61610工作面為61盤區(qū)南翼第一個(gè)綜放工作面，東、西為61608、61612 工作面（尚未準(zhǔn)備），巷道北起6 煤西翼主運(yùn)大巷，南至G109 國(guó)道保護(hù)煤柱線。61610 工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度2465 m，傾向長(zhǎng)度255 m，回采煤層為6#煤層，煤層厚度24 m，傾角5°，頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 6#煤層頂?shù)装鍘r性匯總表

61610 工作面采用綜采放頂煤工藝，工作面切巷已施工到位，為避免61610 工作面初采期間頂板大面積來壓，保證工作面正常安全初采，需弱化工作面頂板巖層，減小初次來壓步距和來壓強(qiáng)度，增加初采期間頂煤冒放率。

2 水力壓裂施工方案

2.1 水壓壓裂技術(shù)原理

在工作面頂板施工普通加長(zhǎng)鉆孔，采用專用開槽鉆頭對(duì)鉆孔終端進(jìn)行橫向切槽，然后對(duì)切槽段進(jìn)行封孔處理，最后利用高壓水流對(duì)橫向切槽段進(jìn)行水壓致裂。在高壓水力作用下，切槽段巖體產(chǎn)生裂隙并向巖體內(nèi)部延伸，增加巖體裂隙度，從而破壞堅(jiān)硬巖體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，降低巖體硬度。在回采過程中頂板由原來的一次性垮落變?yōu)榉謱臃执慰迓洌s短初次來壓和周期來壓步距，降低來壓強(qiáng)度，削弱頂板來壓時(shí)對(duì)支架破壞力度，避免來壓時(shí)頂板大面積一次性垮落導(dǎo)致工作面破壞嚴(yán)重、有害氣體超限等事故。

2.2 水力壓裂鉆孔布置參數(shù)

61610 工作面切巷寬度為10 m，長(zhǎng)度為255 m。為了實(shí)現(xiàn)初采期間頂板完全垮落，決定對(duì)切巷頂板施工兩排水力壓裂鉆孔，鉆孔具體布置參數(shù)如下：

（1）位于工作面煤壁側(cè)布置一排水力壓裂鉆孔，鉆孔深度為45 m，直徑為75 mm，鉆孔偏向煤壁側(cè)夾角為45°，鉆孔開口位置與工作面煤壁間距為2.0 m，鉆孔布置間距為20 m。

（2）位于采空區(qū)側(cè)水力壓裂鉆孔與煤壁側(cè)鉆孔布置排距為5.5 m，鉆孔深45 m，直徑為75 mm，鉆孔偏向采空區(qū)側(cè)夾角為75°，鉆孔開口位置與采空區(qū)側(cè)煤壁間距為2.5 m，鉆孔間距為20 m。水力壓裂鉆孔布置示意圖如圖1。

圖1 水力壓裂鉆孔布置示意圖（mm）

2.3 水力壓裂施工工藝

2.3.1 鉆孔施工

61610 工作面水力壓裂鉆孔采用ZYJ-1250 型液壓鉆機(jī)進(jìn)行施工，鉆孔布置在切巷穩(wěn)定完好的頂板上，采用直徑為65 mm 中空鉆桿配合直徑為75 mm合金鋼鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)。當(dāng)鉆孔鉆進(jìn)至切槽段時(shí)，及時(shí)更換專用螺旋式切槽鉆頭進(jìn)行施工，切槽長(zhǎng)度為0.5 m，切槽深度為0.3 m，切槽完成后更換普通鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)。根據(jù)61610 工作面頂板巖性情況，決定對(duì)頂板進(jìn)行三處切槽，煤壁側(cè)鉆孔分別為15 m、25 m、35 m 處，采空區(qū)側(cè)鉆孔分別位于18 m、28 m、38 m 處。

2.3.2 注水壓裂設(shè)備

水力壓裂設(shè)備主要由高壓注水泵、封孔器、封孔注水裝置等部分組成，如圖2 所示。其中高壓注水泵主要由壓力表、流量計(jì)、高壓供水膠管以及注水鋼管等部分組成，高壓注水泵最大注水壓力為25 MPa；封孔注水裝置主要由壓力表、蓄能器、高壓注水膠管等部分組成，采用手動(dòng)打壓模式，最大壓力為5.5 MPa；采用囊袋式雙層封孔裝置進(jìn)行封孔，封孔長(zhǎng)度為0.5 m。

圖2 61610 工作面水力壓裂施工示意圖

2.3.3 施工工藝

（1）首先在水力壓裂段前后0.5 m 各安裝一個(gè)囊袋式封孔裝置，將封孔裝置與高壓供水膠管連接，開啟手動(dòng)打壓泵進(jìn)行打壓注水。在打壓注水時(shí)回水管路出現(xiàn)回水現(xiàn)象時(shí)停止打壓，確保封孔器完全膨脹并對(duì)鉆孔進(jìn)行封堵。

（2）切槽段封孔完成后，對(duì)封孔中部插入注水鋼管，將注水鋼管與注水泵連接進(jìn)行注水施工。注水時(shí)先低壓確保注水段完全注入水量，然后逐漸增加注水壓力，當(dāng)注水壓力達(dá)15～20 MPa 時(shí)穩(wěn)定注水時(shí)間不低于10 min。第一個(gè)切槽段注水完成后進(jìn)行下一個(gè)切槽段注水施工，施工工藝相同。

3 應(yīng)用效果

3.1 頂板致裂效果

2021 年8 月17 日61610 工作面切巷頂板水力壓裂施工已完成，切巷共計(jì)施工24 個(gè)壓裂孔。為了驗(yàn)證頂板水力壓裂效果，切巷段施工三個(gè)驗(yàn)證孔（機(jī)頭、機(jī)尾以及中部），孔深度為40 m，直徑為75 mm，驗(yàn)證孔布置在同一組壓裂孔中部。驗(yàn)證孔施工完后，采用ZKXG100 型鉆孔成像軌跡檢測(cè)儀對(duì)圍巖進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)鉆孔0～17 m、21～26 m 以及30～37 m 段鉆孔壁巖體成致密狀，未出現(xiàn)孔壁破碎現(xiàn)象，孔壁巖體局部出現(xiàn)裂隙；而17～21 m、26～30 m、37～45 m 段孔壁破碎嚴(yán)重，孔壁四周裂隙高度發(fā)育，裂隙最大延伸長(zhǎng)度達(dá)2.4 m。由此可見水壓壓裂后，頂板巖體達(dá)到提前預(yù)裂效果。

3.2 來壓步距情況

2021 年9 月21 日61610 工作面設(shè)備搬家且調(diào)試完成，9 月28 日工作面開始回采，回采前期工作面單刀割煤深度為0.8 m，通過與61609 工作面初采期間來壓步距、支架工作阻力進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：

（1）61601 工作面頂板未進(jìn)行水力壓裂時(shí)，工作面在推進(jìn)19 m 后直接頂全部垮落，當(dāng)工作面推進(jìn)48.7 m 時(shí)基本頂垮落。通過現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，工作面來壓時(shí)工作面頭尾處來壓破壞小，壓力破壞區(qū)主要集中在工作面中部，受來壓破壞影響，工作面中部頂板破碎以及煤壁片幫嚴(yán)重，最大片幫深度達(dá)2.7 m，工作面來壓時(shí)液壓支架最大工作阻力為6152 kN，72%的液壓支架平均工作阻力在4600～5800 kN。

（2）61610 工作面頂板采取水力壓裂后，工作面回采至2.6 m 處時(shí)直接頂開始出現(xiàn)垮落，當(dāng)工作面推進(jìn)至5.7 m 處時(shí)直接頂出現(xiàn)全部垮落，工作面推進(jìn)至13 m 處時(shí)基本頂達(dá)到全部垮落狀態(tài)，相比水力壓裂前工作面來壓步距縮短了35.7 m。來壓期間通過對(duì)工作面液壓支架觀察發(fā)現(xiàn)，初次來壓期間，支架平均工作阻力為4117 kN，最大工作阻力為5489 kN；來壓期間未出現(xiàn)工作面煤壁大面積片幫以及頂板破碎現(xiàn)象，水力壓裂后縮短了來壓步距，有效緩解了頂板壓力。

4 結(jié)語

龍王溝煤礦61610 工作面頂板采用了水力壓裂技術(shù)，通過理論分析以及實(shí)際效果來看，實(shí)現(xiàn)了對(duì)頂板超前預(yù)裂的目的，有效降低了頂板巖體強(qiáng)度，初采時(shí)縮短了來壓步距，降低了來壓破壞力度，保證回采后頂板能夠分層分次及時(shí)垮落，保證了工作面安全回采。