李 宇

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西吕梁 033602）

0 引言

综放工作面在末采时会发生强烈的矿压现象[1]，顶板将会发生大面积集中冒落而悬顶[2]，导致工作面支架损坏严重，甚至压死输送机，工作面被迫停产，为确保综放工作面末采过程顶板的完整性和顺利铺网[3]，必须管理好顶板。

对于地处吕梁兴县地区河东煤田离柳矿区的斜沟煤矿而言，上覆岩层是厚层状坚硬砂岩顶板，管理控制好顶板始终是困扰该矿的难题。在末采时，提出水力压裂技术对综放面顶板开展预裂弱化，降低超前支承应力过于集中，减小工作面及回撤通道围岩变形，对23111 工作面和回撤通道高应力进行“卸压”，降低垛架数量，降低收尾回撤的成本。

1 工作面概况

斜沟煤矿23111 综放工作面可采走向长度为2 226 m，倾斜长度为242 m；煤层平均厚度为14.79 m，倾角平均为8.8°；采用单一走向长壁后退式综合机械化低位放顶煤采煤方法进行回采，采高为3.8 m，放煤高度10.99 m，采放比约为1：2.89，顶板采用全部垮落法管理采空区顶板。

斜沟煤矿为吕梁市兴县采深比较大的煤矿，周围相同情况的煤矿开采和顶板治理经验相对匮乏，综放工作面矿压规律掌握的不清楚；设计单回撤通道用于23111 综放工作面的设备回撤，在综采工作面末采阶段，工作面及回撤通道将受到超前支承压力的作用，较大的应力将作用于煤体、工作面液压支架和回撤通道的垛式支架，显著减小工作面回撤速度。

2 数值模拟研究

2.1 推进过程中矿压规律

矿压显现是通过直接顶作用于工作面围压与支护系统，工作面回采影响高度约为采高的6～8 倍，顶板周期性断裂导致工作面矿压显现，往往较为剧烈，末采期间顶板的周期性来压是影响回撤的主要因素。本次水力压裂目的是消除老顶顶对回撤通道的影响。

图1 未采用水力压力切顶数值模型

2.2 水力压裂数值模拟

2.2.1 建立数值模型

借助数值模拟软件RFPA2D-Flow 模拟23111 综放工作面末采期间实施水力压裂切顶卸压的效果，压裂模型如图3所示，卸压钻孔破裂情况如图4所示。

图3 压裂模型

2.2.2 模拟结果分析

（1）钻孔破裂情况

由图4发现，在压裂开始之初，在卸压孔附近立即产生应力集中现象，孔壁周围的煤体先被压裂破碎，随着不断地注水，钻孔附近区域的应力集中带逐渐扩散至深部煤体，随着应力带不断运移，相邻孔之间发生互相叠加，进而处于钻孔之间的煤体在叠加应力的影响之下，逐渐开始破裂贯通，最终形成一个相互连通的多分支网络。

图4 卸压孔随时间不断破裂

（2）垂直应力分布情况

图5（a）为回撤通道距离工作面15 m时，煤层顶板垂直应力的分布情况。其中横坐标－58 m～－52 m代表回撤通道地点、－52 m～－37m 代表剩余没有开采的煤体、－37 m～118 m 代表已完成开采的煤体。在没有实施压裂时，因为工作面采空区后部的悬顶距离比较大，致使－52 m～－37 m范围内没有开采的煤层应力远超过压裂时。在未开展切顶卸压时采空区悬顶范围（－32 m～－12 m）的应力是零，实施切顶卸压后，此区域的应力升高1 MPa。证明水力压裂切顶卸压技术能够明显提高采空区的应力，减轻工作面的超前支承压力。

图5（b）为回撤通道与工作面处于5 m 距离时，煤层顶板垂直应力的分布情况。由图6 发现，水力压裂技术能减小回撤通道围岩的应力，达到切顶卸压的效果。数值模拟是在理想化的基础进行计算，就是水力压裂切顶卸压能保证采空区顶板随采随冒，足够填满采空区范围。而实际生产过程中，水力压裂切顶卸压技术只能提高顶板的破裂冒落效果，却很难实现随采随冒的理想效果。

图5 煤层顶板应力分布情况

3 压裂钻孔设计

设计两种压裂钻孔：压裂钻孔A和压裂钻孔B，施工参数见表2，钻孔示意图如图6 所示，通过倒退方法开始水力压裂，每3 m 间隔水力压裂1 次，钻孔A 的压裂范围设置是从孔口25 m起至孔底；钻孔B是从孔口24 m起至孔底。依据压裂现场钻孔实际流水情况，实时变更压裂区域，杜绝出现大面积的淋水现象。

表2 压裂钻孔施工参数

图6 钻孔施工示意

4 压裂工艺

压裂钻孔在回撤通道向工作面回采走向布置；水力压裂顶板的高度与压裂效果有较为密切的关系。距离煤层过远或过近都会影响压裂效果，压裂区距离煤层顶板一般要大于5 m，避免对影响顶板支护质量，压裂区段的一通常是15 m～25 m，这样有利于符合采高及顶板变化的规律。

水力压裂的主要程序有3 部分：钻孔封孔→高压水压裂→保压注水，压裂设备如图7 所示。水力压裂系统主要包括封孔器、注水管、高压水泵和KJ327－F流量水压监测仪等。

图7 压裂装置及过程

5 分析切顶卸压效果

23111 综放工作面支架平均受力与推进度的关系，如图8 所示。当23111 工作面与回撤通道相距34 m时，工作面的支架受力情况发生显著减小，支架压力从38 Mpa 减小至29 MPa，平均减小23.68%的压力。由23111 工作面支架受力图可得到，实施水力压裂提前压裂顶板，能明显减弱顶板的大面积冒落现象，进而减小液压支架的受力。当回撤通道与工作面相距16m时，工作面支架压力降到最小。这时水力压裂切顶卸压技术全部作用于23111综放工作面。

23111 工作面处于末采时，矿压显现最为强烈区域是贯通前10 m 距离，实施水力压裂技术后，工作面顶板在被分层、多次压裂和弱化处理后，达到分离直接顶和老顶，并开始分阶段逐渐冒落，进而削弱末采期间贯通时顶板显现强度。因为水力压裂的影响，将贯通整个阶段处于平缓状态，待工作面与回撤通道全部贯通后，最终达到以“支架+垛架”为主的可靠稳定状态。

图8 23111工作面支架平均受力情况

6 结论

（1）借助理论分析、数值模拟和现场试验，研究压裂裂隙延伸扩展的原理，发现钻孔压裂长度的不同与钻孔直径之间的关系，得到最佳的压裂钻孔长度。

（2）通过分析监测数据，发现23111工作面与回撤通道的距离小于30 m 时，随着工作面的不断开采，支架压力呈现先减小后逐布增加的趋势；当贯通时，工作面余下的煤柱可靠稳定，垛式支架的压力开始升高，但是增大幅度较小，支架压力稳定；当贯通后，回撤通道中每个支护构件的受力保持平稳，逐渐向外转移压力。

（3）在回撤通道开展水力压裂卸压技术后，能够充分压裂、弱化和软化顶板，减弱23111综放工作满末采时回撤通道的矿压显现程度，增强末采回撤的安全性，节约大量的人力和物力，具有显著的的经济和社会效益。