赵庄煤矿井下顶板水力压裂技术的应用研究

秦江波

（山西晋煤集团赵庄煤业有限责任公司，山西 长子 046600）

13103 巷（原13092 巷）巷道断面为矩形，沿顶留底掘进，宽度为5000 mm，高为4500 mm，断面积为22.5 m2，净宽为4800 mm，净高为4400 mm，净断面积为21.12 m2，采用树脂加长锚固锚杆组合支护系统，并进行锚索补强。巷道靠北帮顶部布置有瓦斯抽放管，北帮有风水管路等，南帮有电缆、信号线等。卸压施工区域为1310 工作面13103 巷区段，对应于13091巷未施工区域，包括9～11#横川（220 m）、7#横川至停采线位置（825 m）。各巷道位置关系如图1所示，综采面顶板各分层的碎胀高度如表1所示。

1 压裂岩层层位设计

煤矿井下岩层的垮落带的实际厚度是指岩层在充分垮落后在采空区域充分压实后堆积的高度。不同的地质条件下井下巷道垮落带的岩层厚度计算方式不一致，在综采面巷道较为平缓的开采面中岩层的垮落带的理论高度计算公式可表示为：

式中：

M'-综采面的实际综采高度，m；

C-煤矿井下实际的综采作业煤炭回采率；

KK-煤矿井下垮落带处垮落的岩石的碎胀系数。

应根据井下实际情况，结合垮落带的分层情况，对煤矿井下岩层的垮落带实际厚度进行计算。如果各个垮落带层堆叠后的实际高度超过了垮落带的理论高度，则垮落带高度之上的分层可以作为该层级的最后一个分层，则此时垮落带的实际的岩层厚度就是从最下面到最后一个分层的堆积高度。如果煤层上侧煤层较厚而且不会出现冒顶情况时，应对该顶板进行人工垮落处理，人工垮落处理后的堆积高度作为计算实际垮落高度的基准，其判别公式可表示为：

式中：

Hi-从最下层岩层开始到上面第i 层岩层的总厚度，m；

H'i-从最下层岩层开始的第i 层分层的厚度，m；

Ki-从最下层岩层开始的第i 层分层和人工垮落区岩层厚度的总和；

h-巷道顶板的厚度，m；

Kz-巷道顶板上的岩石碎胀系数，取1.02～1.3。

综合以上分析可知，顶板上方12.8～26.0 m 两层坚硬砂岩层也参与了顶板的移运。由于煤矿井下顶板的实际厚度大而且顶板的硬度较大，难以进行自然垮落，当综采不断进行时，采空区上的顶板悬臂越来越长，在综采扰动或者矿压波动下极易导致顶板的突然破断，进而导致巨大的强压出现，影响井下综采作业的安全性。因此需要人为在顶板上方12.8～26.0 m 范围坚硬砂岩层制造一些裂隙，使其在采动应力、侧向支承应力等的叠加影响下，周期性垮落破断。

图1 各巷道位置关系示意图

表1 各顶板分层碎胀高度计算

2 压裂钻孔角度和孔间距分布

对于回采工作面高位坚硬顶板采取的水力压裂断顶措施，一般认为逆向工作面推进方向布置压裂钻孔，顶板易于形成“砌体梁”平衡结构，对控制顶板更为有效。因此，13103 巷中部压裂钻孔方位角280°。一盘区1310 工作面采用宽煤柱，煤柱尺寸不小于50 m，断裂煤柱侧向顶板可能性不大。通过在13103 巷顺槽非生产帮侧压裂顶板孔，切断顶板连续性，改善13103 巷周围应力环境，13103 巷非生产帮侧压裂钻孔方位角180°。

13103 巷非生产帮侧压裂钻孔55°，孔深22 m，深入煤柱水平距离12.6 m，深入顶板垂深16 m。13103 巷中部顶板压裂孔60°，高位压裂位置孔深27 m，深入顶板垂深23 m，低位压裂位置孔深19 m，深入顶板垂深16 m。13103 巷水力压裂钻孔布置如图2 所示。

图2 13103 巷水力压裂钻孔布置结构示意图

钻孔间距由压裂裂缝扩展半径决定，不同开采条件、不同围岩条件下的扩展半径也不尽相同，需要根据现场试验结果来确定。通过对压裂钻孔附近不同距离的控制孔进行观测，查看裂隙扩展范围（依据钻孔窥视结果判定）及出水情况，从而确定目标区域的压裂裂缝扩展半径R。为了裂缝间能更好地贯通，钻孔间距一般不大于2R。根据顶板水力压裂在内蒙乌审旗地区矿井工作面施工经验，当注水压力不小于30 MPa、压裂时间不小于30 min 的情况下，有效压裂范围超过了15 m，因此，在保证卸压效果的前提下，初期可将水力压裂钻孔间距均设置为15 m。

压裂钻孔钻进时的工艺流程：钻机移至施工地点→稳固钻机并定方位角、倾角→钻孔开孔→依次接续钻杆施工至压裂位置→退杆→更换切割刀具→依次接续钻杆施工至压裂位置→旋转割缝→退杆→更换注水钻杆→安装压裂封孔器→依次接续钻杆施工至压裂位置→连接高压管路→封孔压裂→退杆→清理现场→移钻机至下一个施工地点。

3 注水压力设计

由于岩体的断裂韧度参数的不确定性，因此，在进行注水压力设计时，需要根据煤矿井下综采面岩层实际的抗拉强度的极限值进行设计。定向裂缝在如下压力条件下产生：

式中：

P*z-岩体应力，一般以自重应力计算；

Rr-岩石极限抗拉强度。赵庄矿1310 工作面埋深700 m 左右，P*z 取17.5 MPa，砂岩极限抗拉强度Rr取3.93 MPa（根据煤炭科学技术研究院有限公司安全检测中心提供的物理力学参数报告显示：坚硬砂岩抗拉强度试验室测定值4.91 MPa，现场按强度80%计算，则Rr=3.93 MPa），则通过计算得到该岩层所需注水压力为27.86 MPa。由于煤矿井下综采面岩层密度分布不均匀，同时受到综采时的机械扰动、矿压波动的影响，无法精确地对压裂时的压力进行计算。上式所计算结果一般为参考值，在压裂时可以按此参数为基础进行调节，满足对顶板的压裂需求。压力越大，越容易将岩层压裂，流量（流速）越大，压裂半径越大，裂纹扩展越快，对于流量的要求为不小于80 L/min。项目部注水泵型号为BZW125/50，其额定工作压力为40 MPa，流量125 L/min，完全能够满足1310 工作面顺槽顶板水力压裂施工需求。

4 应用效果分析

为了验证该水力压裂技术的应用效果，赵庄煤矿选择采用钻孔窥视的方案对顶板水力的压裂效果进行分析，观测设备采用了ZKXG30 矿用钻孔成像轨迹检测装置。在进行观测时利用窥视仪的主机界面控制视频探头的聚焦和光线调整，逐步推进并记录切槽位置、水力压裂效果等。该钻孔窥视原理如图3 所示。

根据实际观测效果，钻孔内的岩层完整性高，刀具切槽痕迹平滑，水力压裂后孔内裂隙发育均匀，扩展性好，在正常情况下保证岩层的稳定性，当出现矿压波动时能够平稳的垮落，自应用以来显著提升了赵庄矿的综采安全性。

图3 钻孔窥视原理示意图

5 结论

针对赵庄矿13103 巷道综采面井下地质情况复杂、易出现顶板垮落的现象，提出了一种在皮带顺槽开展顶板双向水力压裂工艺，在高低位顶板岩层中预制裂隙，使顶板在矿压作用下及时垮断，减小机头区域顶板逆推进方向和侧向悬顶距，破坏力源及储能条件，最大限度减弱侧向悬顶对煤柱作用力的方案。根据实际应用表明，该顶板双向水力压裂工艺具有操作简单、压裂效果好的优点，显著提升了13103 综采面的综采作业效率和顶板稳定性。