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综采工作面顶板定向水力压裂技术应用

2024-07-03 49 上传者：管理员

摘要：为解决主采煤层存在巨厚坚硬顶板，造成初次来压期间矿压显现严重，工作面局部支架压死的难题，对3104工作面地质条件进行分析，对目标层位实施定向水力压裂措施，并对初次来压期间工作面矿压显现、支架工作阻力变化情况进行观测、分析和对比，确定其初次来压步距。观测结果表明：在开展顶板定向水力压裂措施后，3104工作面基本顶初次来压步距30.8 m，相比原始状态顶板，减少54.9%。实践证明：对于上覆厚层坚硬顶板，通过定向水力压裂措施对顶板进行压裂是有效可行的工作面初次放顶技术。

关键词：
初次来压
垮落步距
定向水力压裂
巨厚坚硬顶板
顶板
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顶板是煤矿五大灾害之一，如果处理不当，可能发生严重的冲击地压灾害，造成群死群伤事故。当工作面回采超过一定长度而悬顶面积过大时，煤层基本顶上所施加的荷载超过其本身的支撑极限，基本顶就会发生大规模的垮落，特别是在初次来压期间，如果释放能量过强，有可能造成支架压死、煤壁片帮、冒顶、瓦斯超限，甚至引起冲击地压事故。在顶板控制方面，国内外有很多研究，例如填充回采、爆破切顶卸压等方法，取得一定的成果，但是在成本控制和应用效果方面还具有一定的局限性，特别是对于厚度较大的坚硬基本顶来说，还需要采取更加有效的防范措施。基于此，以某矿3104工作面为工程基础，采用定向水力压裂技术对其顶板进行预裂，对防止顶板大规模垮落而造成严重的顶板事故具有重要意义。

1、工程概况

1.1 工作面概况

3104综采工作面位于3-1煤层一盘区东部，西临北翼辅助运输巷外，南翼、东翼均为实体煤，北翼为3102综采工作面（已回采）。地面标高+1 277～+1 305 m，工作面煤层标高+863～+878 m，走向长1 363 m，倾斜长299 m，面积407 537 m2。煤层厚度为5.7～6.2 m，平均6.0 m，煤层结构简单，煤层以半亮型煤为主，该工作面顶底板情况如表1所示。3104综采工作面地质构造简单，煤层倾角1°～3°，平均2°。工作面范围内，没有对回采形成影响的褶曲存在，没有陷落柱、火成岩等存在。3104综采工作面采用单一走向长壁后退式综合机械化采煤方法，工作面采用双柱掩护式液压支架支护，采空区顶板采用全部垮落法管理。

表1 3104工作面顶底板岩性分布

1.2 存在问题分析

3104工作面初采期间，由于基本顶为巨厚坚硬砂岩，难垮落，随着工作面回采，后方采空顶板形成大面积悬露，而大面积悬露顶板突然破断形成的动载扰动，严重威胁工作面的安全回采，发生顶板来压压死支架的事故，给工作面安全高效生产带来严重影响，需重新开切眼。3104综采工作面剩余区段地质条件相似，为控制该工作面初次来压期间压力显现，防止出现大规模切顶造成顶板事故，需要对切眼采用定向水力压裂技术对其坚硬顶板进行破坏，防止切眼再次出现大规模动载导致顶板事故的发生，确保采面安全。

1.3 3104工作面初次来压分析

工作面开始开采时，随着工作面的推进，采空区悬顶面积逐渐增大，形成双支板梁构件，当悬顶面积达到极限时，基本顶发生破断，有可能出现回转或滑落失稳，顶板产生动载，造成工作面压力陡然增加，为初次来压，基本顶破断情况示意图如图1所示。

图1 初次来压基本顶破断情况

由图1可知，工作面四周煤柱承受的支承应力大小受到工作面悬顶面积的影响，在初次来压前支承应力达到最大，这时候容易产生煤墙片帮、冒顶、切顶等现象，工作面支架初撑力增加。3104工作面直接顶和基本顶厚度分别为16.9 m和40.9 m，且岩性均为厚层状-块状砂岩，质地坚硬，工作面初采后难以垮落，且一旦垮落，岩体破坏规模较大。

2、顶板定向水力压裂技术

定向水力压裂技术是在目标层位（一般为坚硬岩体）内施工钻孔并人造定向裂隙，之后封孔连接高压水，在高压水的作用下使目标层位按照预裂方向分层或者破碎的技术，定向水力压裂示意图如图2所示。

图2 定向水力压裂示意图

定向水力压裂技术是一种简单可靠的坚硬顶板预裂破坏技术，能够有效地改变目标层位的物理力学性质，降低岩石硬度，破坏其整体性，因此，可在工作面回采过程中将原整体厚层状坚硬顶板划分为若干个顶板模块的组合，缩短基本顶的初始垮落步距，从而减小初次来压强度。高压水形成的拉裂面直径能够超过40 m，压裂深度能够满足顶板垮落要求。该技术工艺简单，主要技术优势：（1）技术先进、经验成熟、施工简便、不影响生产、安全性高，尤其对顶板型冲击地压的防治具有针对性，应用效果明显；（2）不受采场的条件变化影响，安全性高，施工条件宽松，压裂效果的监测和验证手段与方法简单、明了；（3）实施高压水力压裂技术，结合目前矿用的一些冲击地压的监测手段，如：微震监测系统、应力在线监测系统等监测技术，使得对冲击地压的治理可做到有的放矢；（4）施工不影响正常生产，可以和正常的生产工序交叉或并行作业，消除了对生产和安全的诸多不利因素；（5）除水力压裂过程中的耗材以外（刀片也可重复使用），其他设备均可重复使用；（6）除在初期过程中，需对顶板岩性等工艺参数进行验证、监测和现场工业性应用的参数确定外，在后续的施工过程中，完全可以根据前期的理论与经验进行施工。

3、 3104工作面煤层顶板定向水力压裂技术应用

3.1 系统结构及组成

定向水力压裂结构主要设备包括高压泵、控制阀、高压管、高压封孔器等。配套设施主要为前期钻孔施工过程中的履带式钻机（含钻头、钻杆）和定向切槽刀具等，中期开始定向水力压裂的封孔压裂器等；以及后期压裂效果检验用的钻孔窥视仪等。定向水力压裂结构图如图3所示。

3.2 施工参数

3104工作面切眼定向压裂钻孔施工参数如表2所示。两顺槽钻孔间距8 m，切眼同类型钻孔间距16 m，不同类型钻孔相间布置，孔径φ48 mm，斜长30 m(L型钻孔）和40 m(S型钻孔）。压裂目标层位为3-1煤直接顶和基本顶。

图3 定向水力压裂结构图

表2 3104工作面新切眼压裂孔参数表

3104切眼定向水力压裂钻孔设计平、剖面图如图4～图6所示。

图4 L型水力压裂孔剖面图（单位：m)

图5 S型水力压裂孔剖面图（单位：m)

图6 3104切眼定向水力压裂钻孔布置平面图

3.3 施工流程

(1）施工钻孔利用履带式钻机在工作面相应位置，按照设计方位和倾角施工钻孔，钻孔施工过程中要确保孔壁平滑，钻孔施工结束后反复冲洗孔内岩粉；

(2）人造定向裂缝采用φ38 mm直径的定向切槽刀具切槽，切槽时要匀速慢进，并观察岩粉情况，切槽后将岩粉冲洗干净，窥视切槽是否满足设计；

(3）封孔将封孔器送入孔底，外接无缝钢管并固定，高压管安装控制阀，并在两侧分别设置压力表和流量计；

(4）水力压裂启动高压水泵，升压至30 MPa，打开出水闸阀，利用封孔器两侧喷嘴冲压对岩层按照目标方位进行切割，观测水压变化情况，若压力下降，则高压水已将目标岩层压裂。

4、顶板定向水力压裂应用效果分析

4.1 工作面支架阻力分析

3104采面新切眼初采期间，为对工作面各部分液压支架阻力进行分析，将切眼划分为上、中、下三部分测区，分别统计支架阻力情况，其中上部测区包括10#、26#和42#支架，中部测区包括66#、86#、106#支架，下部测区包括130#、146#、162#支架，采集相应支架的工作阻力，并求取均值代表区段所受压力。根据液压支架工作阻力、总推进度和时间节点绘制相关因素曲线图，如图7所示。

图7 支架工作阻力与累计推进度、时间关系曲线图

由图7可知：（1)3104综放工作面在初采期间，3个测区随着时间（推进度）的推移，液压支架工作阻力均出现一定规律性变化，表明在工作面回采期间，采空区空顶面积发生规律性变化，受力情况也发生规律性变化；同时，工作面不同测区支架工作阻力大小的相对关系也发生变化，表明顶板覆岩结构变化在倾向上是不均衡的；（2）工作面3个测区支架的工作阻力均出现先升后降的情况，中部测区和下部测区在推进至29.8 m时支架工作阻力升至最大，上部测区在推进至33.8 m时支架工作阻力升至最大，随后下降。根据支架工作阻力变化和现场观测情况可以推断，工作面初次来压过程与支架工作阻力升至最高点并开始下降时吻合，即中部测区和下部测区初次来压步距为29.3 m，上部测区初次来压步距为33.8 m，平均值为30.8 m。

4.2 顶板垮落步距及强度分析

工作面初采过程中，对切眼及进风顺槽、回风顺槽后部采空区直接顶板的垮落情况进行观测记录，记录结果如表3所示。通过表3对于采后采空区顶板垮落情况的观察结果可知：3104工作面直接顶在工作面回采9～13 m时已经全部垮落，其平均垮落步距为11 m。工作面在回采至30 m位置时，顶板来压明显，个别支架安全阀打开，煤壁局部有片帮现象，最大深度0.5 m，再向前回采后支架工作阻力下降，工作面应力恢复正常，由此判断，该工作面初次来压步距约为30 m，这和上文分析较一致。总体而言，3104工作面在初次来压期间，巷道变形量小，支架最大工作阻力不足36 MPa，初次来压期间的矿压显现对矿井正常回采无影响。

表3 采空区直接顶板垮落记录表

4.3 应用效果对比分析

为对顶板定向水力压裂效果进行分析，收集该区域其他矿井以及该矿井其他工作面初次来压期间矿压显现规律，3-1煤层初采后，其直接顶初次垮落步距为15～17 m，平均16 m，基本顶初次垮落步距为53.9～98.5 m，平均68.3 m。特别是在基本顶初次来压期间，顶板断裂声音明显，工作面片帮冒顶情况严重，大量支架安全阀打开，甚至部分支架被压死，矿压显现强烈。对比3104工作面，在采取顶板定向水力压裂后，其初次来压步距约为30.8 m，下降约54.9%，矿压显现情况显著低于其他地质条件类似的工作面。分析原因，主要是由于开展定向水力压裂后，破坏顶板的完整性，降低岩石强度，直接顶和基本顶初次垮落步距降低，直接顶冒落后对基本顶垮落时形成支撑作用，同时基本顶垮落时应力集中情况得到缓解。

在对3-1煤层直接顶和基本顶开展定向水力压裂后，工作面在初采期间矿压显现情况明显降低，确保了工作面安全高效回采。

5、结语

(1）对3104工作面目标层位实施定向水力压裂措施，并对初次来压期间工作面矿压显现、支架工作阻力变化情况进行观测和分析，3104工作面直接顶初次垮落步距11 m，基本顶初次来压步距30.8 m，相比水力压裂之前，初次来压步距减小54.9%，支架最大工作阻力不足36 MPa，煤壁局部有片帮现象，最大深度0.5 m，初次来压期间的矿压显现对矿井正常回采无影响。

(2）对水力压裂后的工作面采空区直接顶板的垮落情况观测可知：回采后，工作面顶板垮落及时，仅两顺槽后方顶板垮落不及时，主要受顶板断裂结构和煤壁支撑作用影响，后期可对两顺槽采用切顶卸压。

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基金资助:中煤科工开采研究院重点基金项目(KCYJY-2021-ZD-02);

文章来源:郭团结,高超,王平,等.综采工作面顶板定向水力压裂技术应用[J].煤炭技术,2024,43(07):37-40.