王进海

（山西省高平市科兴米山煤业有限公司，山西 高平 048400）

1 工程概况

米山煤业有限公司主采山15#煤层，盖山厚度约178～154 m，煤层平均厚度2.7 m，煤层结构简单，含0～2 层夹矸，夹矸以炭质泥岩和灰黑色泥岩为主，煤层倾角为2°～8°，平均倾角为5°。煤层顶底板岩性见表1。直接顶为6.88～11.6 m 的K2 石灰岩；基本顶为16.17～17.5 m 的中粒长石砂岩；底板岩层为1.72～8.85 m 的细砂岩。15#煤层变化稳定，全区可采。

表1 煤层顶底板岩性

山15#煤层上方K2 石灰岩硬度较大，厚度大，且整体完整性相对较好，在工作面回采过程中，顶板岩层不易垮落，容易造成大面积悬顶，对安全生产带来极大隐患，因此提出采用水力压裂的方式对顶板K2 石灰岩进行处理[1-5]，解决其大面积悬顶的问题。

2 水力压裂顶板岩层方案设计

15103 工作面开采的山15#煤层上覆6.88～11.60 mK2 石灰岩，完整性较好，较为坚硬，再往上16.17～17.5 m 的中粒长石砂岩，完整性也较好，且抗压强度较大，达45.3 MPa。参考相邻工作面回采期间，顶板不易垮落，为防止顶板悬空面积过大，带来安全隐患，后期还需进行强制放顶，严重制约了工作面的正常回采，且有较大的安全隐患。因此15103 工作面计划采用水力预裂的方式，提前对工作面顶板岩层进行处理，促使顶板岩层在工作面回采后及时垮落[1-5]。压裂钻孔示意图如图1。

图1 压裂钻孔示意图

在工作面前方40 m 位置，在运输巷和回风巷采帮侧均施工压裂钻孔，分别记为C 类、D 类钻孔，与水平方向夹角为25°，走向方向角为80°，长度为30 m。C 类钻孔和D 类钻孔前方10 m 位置，在运输巷和回风巷采帮侧分别布置A 类钻孔和B类钻孔，与水平方向夹角为30°，走向方向角为90°，长度为40 m。在A 类钻孔和B 类钻孔前方25 m 位置再重复施工C 类钻孔和D 类钻孔，循环往复。四类钻孔参数见表2。

表2 压裂钻孔参数

3 工业性试验

3.1 现场施工

现场水力压裂流程如图2：

图2 水力压裂工艺流程示意图

（1）用Ф65 mm 的钻头进行钻孔，当钻孔满足设计要求时，更换钻头，在钻孔孔底位置施工切槽，如图2（a）所示；

（2）连接高压注水管，将封隔器送到切槽的既定位置，封隔器与手动泵通过低压水管连接，利用手动泵往内压水，使封隔器膨胀并达到封孔的目的，如图2（b）所示；

（3）将高压泵与高压注水管连接，并安装水压仪，利用高压泵注水，对钻孔封隔断进行压裂，水压仪用于记录压裂过程中水压的变化情况，如图2（c）所示。

在水力压裂过程中，需注意以下事项：

（1）检查注水管路无阻塞情况时，方可连接；

（2）手动泵注水封孔时，注水压力一般为10～12 MPa 即可；

（3）高压泵注水压裂前，应在施工位置前后100 m 处设置警戒线，与施工作业无关人员严禁入内；

（4）启动高压泵进行水力压裂过程中，如附近观测钻孔或锚杆（索）发生沥水、出水现象，应立即停止作业；

（5）应按照由里到外、从远到近的顺序对钻孔进行水力压裂。

3.2 现场试验效果

3.2.1 水力压裂施工效果

对15103 运输巷及回风巷顶板岩层进行水力压裂过程中，记录数据见表3。

表3 水力压裂数据记录

如表2 所示，距离孔底位置越近，钻孔压裂所需水压就越大，由于A 类钻孔和B 类钻孔比C 类钻孔和D 类钻孔长度大，因此钻孔压裂时所需水压也更大。

3.2.2 工作面液压支架工作阻力监测

（1）水力压裂前后工作面液压支架工作阻力

对工作面顶板岩层水力压裂前后，15103 工作面回采过程中液压支架最大工作阻力对比如图3。

图3 水力压裂前后工作面液压直接工作阻力

如图3 所示可知，未对工作面顶板岩层进行水力压裂时，工作面液压支架工作阻力最大值为5700 kN，水力压裂后，工作面液压支架工作阻力最大值为4300 kN，水力压裂后工作面液压支架工作阻力降低了24.6%。现场试验结果表明，对工作面顶板岩层进行水力压裂后，改善了采场围岩应力环境，液压支架最大工作阻力降低明显。

（2）水力压裂后工作面液压支架工作阻力变化

对8103 工作面顶板岩层水力压裂后，工作面回采过程中，液压支架工作阻力变化情况如图4。

图4 水力压裂后工作面液压支架工作阻力

如图4 所示，对工作面顶板岩层进行水力压裂后，工作面回采过程中，工作面液压支架平均工作阻力为3300 kN，压力不大，液压支架工作状态良好，周期来压步距平均为25.6 m。通过现场观测，工作面回采过程中顶板岩层能够及时垮落，未出现大面积悬顶现象，达到了预期目的。

4 结论

米山煤业主采的15#煤层顶板岩层坚硬，工作面回采过程中顶板岩层不易垮落，易形成大面积悬顶。根据实际条件，设计了15#煤层采场顶板岩层水力压裂方案和参数。现场监测数据显示，工作面液压支架工作阻力最大值降低了24.6%，平均值仅为3300 kN，周期来压步距平均值为25.6 m，回采过程中顶板岩层能够及时垮落，未出现大面积悬顶现象，达到了预期的目的。