赵乾甫

(山西焦煤 西山煤电集团公司杜儿坪煤矿， 山西 太原 030200)

1 工程背景

杜儿坪煤矿68307工作面主采8号煤，煤厚4.1～5.85 m，平均厚度为4.3 m，平均倾角为6°，目前所采的8#煤瓦斯含量大，且煤体较为松软。工作面的直接顶为石灰岩，属坚硬岩层，平均厚度为4.19 m；直接底为细砂岩，平均厚度为1.7 m；直接顶为L1石灰岩，平均厚度为4.19 m；基本顶为K3石灰岩，平均厚度为8.31 m.

68307工作面位于北三下组煤盘区，东邻68306工作面(已采)，西邻68308工作面(已采)，与相邻工作面留有30 m保护煤柱，上部依次为62317、62319、63413、63315采空区，属于“孤岛工作面”,层间距48～75 m，平均65 m，工作面走向长1 202.5 m，倾向长203 m，工作面标高994～1 043 m.

2 水力压裂控制技术

煤岩体水力压裂初次放顶控制技术是在形成工作面切眼后，工作面支架、刮板输送机及采煤机等采煤设备安装前，在回采工作面钻进不同的钻孔进行分段压裂，压裂至孔底。顶板水力压裂包括打孔、封孔、高压注水、保压注水4项主要工序[2]. 对工作面顶板实施水力压裂作业，在回采前预先弱化顶板岩层，待工作面回采后顶板岩层可自行及时垮落，保证初采安全。

3 水力压裂设计

3.1 设计思路

工作面切眼上部的坚硬顶板可视为两端固定的固支梁，随着工作面的推移，梁的跨度逐渐变大，顶板承受的载荷逐渐变大，当达到顶板的极限载荷时，顶板会失稳破坏，随之发生断裂垮落。因此，通过人工水力致裂卸压，主动增加顶板岩层中的裂隙，破坏其完整性，改变“梁端”与梁的受力条件以及物理化学特性，弱化顶板结构，产生弱面，使石灰岩基本顶可承受的极限荷载降低，最终在自重条件下使采空区悬顶及时垮落[3]，且顶板压裂垮落后应当充满采空区，防止上方顶板的进一步下沉与断裂。顶板垮落高度与采高应当满足下式[4]：

(1)

式中，M为煤层厚度，取值为4.3 m；Ki为层顶板岩层的碎胀系数；Hi为第i层顶板岩层厚度，一般取Ki值为1.20～1.50. 切顶高度表达式为：

Hq=M/(Ki-1)

(2)

将M=4.3 m，Ki=1.3代入式(2),可得切顶高度Hq=14.33 m.

3.2 68307工作面水力压裂设计方案

水力压裂方案根据工作面采高，顶板岩性、结构以及厚度，垮落步距等参数决定，设计在整个切眼内进行水力压裂。切眼内每隔12 m布置一组钻孔(7台支架的宽度)，共布置16组钻孔，每组两个钻孔，分别为孔A、孔B；回风巷、机轨合一巷各布置两组钻孔，分别为孔C、孔D，共40个钻孔。钻孔布置平面图见图1.

图1 工作面顶板水力压裂钻孔布置平面图

钻孔A垂直煤壁向工作面前方施工钻孔，开孔位置在切眼采煤壁上，钻孔仰角为70°，钻孔长度为18 m. 钻孔B垂直切眼煤壁向工作面前方施工，仰角为40°，长度为24 m. 回风巷布置2组(4个)钻孔，呈三花布置，开孔位置在工作面煤壁前方2 m，开孔位置错距为6 m. 轨道巷布置2组(4个)钻孔，开孔位置在工作面煤壁前方2 m，开孔位置错距为6 m. 钻孔C贴工作面帮施工，与巷道方向方位角为10°；钻孔D贴煤柱帮施工；钻孔C和D长度均为24 m，仰角均为45°.

为寻找直接证据，也为明确右骶棘肌粗大是代偿性增粗还是损伤所致，进一步行腰椎MRI检查。横断面MRI可见L4/L5及L5/S1节段右骶棘肌横径及面积明显增大（Advantage work-station自带软件测量），但信号正常，明确右骶棘肌无损伤，同时未见黄韧带肥厚（图4）。

钻孔A、B、C、D直径均为60 mm，每个孔利用封孔器分割为4—5段，每段的压裂时间控制在30 min. 由于顶板条件会变化，因此钻孔长度、间距以及压裂时间等参数，在现场根据钻孔施工情况和水力致裂情况进行适当调整。

3.3 压裂工艺

1) 安装、连接、调试工作结束后，连接注水钢管将封孔器推送至预定位置(预裂缝处)，封孔、注水压裂采用倒退式压裂法，即从钻孔底部开槽处向外依次进行压裂。

2) 手压泵加压封孔器，待压力达到10～16 MPa后停止加压，观察钻孔并监测压力表，检验封孔器能否保压，确保封孔器正常工作。

3) 距离压裂孔20 m处拉警示线，压裂期间除作业人员外禁止人员通行，操作人员以及作业设备距离压裂孔的距离应在20 m以上，且位于支护条件良好的地方。

4) 开启水压仪，给高压水泵先通水再通电，然后慢慢加压，同时记录水泵压力表、流量计以及手动泵压力表数据，继续加压直至预裂缝开裂，这时压力会突然下降，保压注水使裂纹继续扩展，保压注水压裂时间根据现场压裂情况确定，若巷道顶板、煤帮或钻孔中有水渗出或冒出时，立即停止压裂。

5) 压裂结束后，高压水泵先断电再停水，封孔器卸压，退出钻孔，准备下次压裂。

4 实践效果分析

为检验该次水力压裂技术的应用效果，进行钻孔观测。钻孔A6、B6、C2、D2的窥视结果见图2.

图2 钻孔窥视结果图

通过图2可以看到4个钻孔水力压裂后的裂隙发展情况，在孔内不再滴水后进行钻孔窥视，钻孔C、D裂隙扩展程度较A、B孔发育，且纵向延伸发展，而钻孔A、B以横向的环切小裂隙为主。钻孔C、D主要控制工作面两端头顶板的预裂，两端头顶板暴露面积较大，应力集中，水力压裂效果较为明显。钻孔A、B主要控制工作面煤壁上方顶板的预裂，随着工作面的推进，采动引起的超前支撑压力主要通过煤层上方的K3石灰岩进行传递，而钻孔A、B主要为环切裂隙，在工作面推进过程中有效贯通顶板间的裂隙，从而及时切断垮落充填采空区。

68307 工作面采用高位多段分次压裂技术，设计不同角度钻孔提前将煤层上方顶板预裂，破坏顶板完整性，减弱顶板强度，使顶板在回采过后及时垮落，缩短初次来压步距。根据68307现场观测记录，工作面回采至13 m时，顶板初次垮落，与相邻工作面相比，68306工作面回采至25 m时顶板初次垮落，水力压裂技术使得工作面的初次放顶步距减少12 m，消除了该工作面可能出现的大面积悬顶隐患，并且没有发生瓦斯及有害气体的大量涌出。

5 结 语

孤岛工作面初采期间顶板管理尤为重要，易出现大面积悬顶垮落，造成安全事故。强制放顶是一种有效干预顶板的技术措施，传统放顶措施采用打眼放炮，易产生有害气体，对顶板震动影响大，难于管理。水力压裂技术有效解决了爆破预裂不足。

1) 通过相邻两个工作面的初采垮落步距分析，认为68307工作面顶板完整性好，且属于“孤岛工作面”，若不提前采取人工干预措施，顶板初次垮落步距大，动力现象明显，故提出采用水力压裂卸压技术进行顶板预裂。

2) 通过对68307工作面顶板采用水力压裂卸压技术后，68307工作面提前12 m完成顶板垮落，有效解决了工作面大面积悬顶的安全隐患，以及有害气体的聚集释放。

3) 通过对68307工作面顶板水力压裂卸压研究，证明了水力压裂卸压技术在高瓦斯矿井中的应用效果比较理想，解决了爆破强制放顶在高瓦斯矿井中易产生有害气体的不足。