厚基岩浅埋藏工作面水力压裂初次放顶应用研究

史洪恺，解振华，李小龙

(国能神东煤炭集团乌兰木伦煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017205)

0 引言

目前，我国神东矿区许多矿井工作面开采面临着厚基岩浅埋藏的地质特点，这种地质条件下工作面回采易出现工作面初采期间顶板大面积悬顶，对工作面回采形成安全隐患[1-4]。而对于浅埋薄基岩的矿山压力分布规律研究较多，对于厚基岩浅埋藏工作面矿压研究有待进一步深入[5-7]。针对工作面大面积悬顶问题，一般采用放炮强制放顶、水力软化或者水压预裂的技术手段消除隐患[9-12]。

乌兰木伦煤矿31411工作面覆盖层厚度为148.8 m，基岩厚度为91 m，符合埋藏浅、基岩厚度大等近浅埋煤层的特征，存在矿压显现明显，采空区悬顶面积大未能及时垮落等问题[13]。遇工作面初次来压、周期来压时，顶板压力大。

由于受地质赋存条件、顶板岩性坚硬等因素的的影响[14]，31411工作面可能会出现顶板不垮落或垮落不完全，三角区出现大面积的悬顶，初次来压时顶板突然垮落形成飓风伤人，造成人员伤害。

为消除大面积悬顶造成的风险，对31411工作面进行了水压预裂初次放顶，达到了消除生产安全隐患的目的，实现了安全高效生产。

1 工程概况

31411工作面范围内第四系松散层厚度为4.5～61 m，松散含水层厚度0～50 m，松散层、松散含水层沿掘进方向逐渐变厚；上覆基岩厚度为83～184 m，总体趋势沿掘进方向逐渐变薄。31411工作面顶板岩层结构实测值见表1。

表1 31411工作面顶板岩层结构

巷道在3-1煤层中沿煤层底板掘进，上部留有0.1～0.8 m厚度不等的顶煤，煤层直接顶为粉砂岩，普氏系数为2.46，软化系数为0.275，老顶为砂质泥岩，普氏系数2.82，软化系数0.57。直接底为砂质泥岩，普氏系数为2.821，软化系数为0.57。煤层顶底板岩性，见表2。

表2 31411工作面顶底板岩性

2 工作面水力压裂钻孔布置及相关参数

乌兰木伦煤矿31411工作面可划分为31411-1和31411-2两个工作面。工作面倾向长度为31411-1工作面189.5 m和31411-2工作面105.3 m。

为避免31411工作面回采时初次来压对支架造成巨大的冲击载荷，需破坏顶板的完整性，使其尽早垮落，减缓初次来压对支架的破坏，确保初采安全，在切眼进行水力预裂放顶。

31411-1切眼布置L孔11个，S孔20个，钻孔总进尺1 003 m。31411-2切眼布置L孔6个，S孔11个，钻孔总进尺550 m。压裂L钻孔结构示意图如图1所示，压裂S钻孔结构示意图如图2所示。

图1 切眼布置L钻孔参数示意Fig.1 L borehole parameters in open-off cut

图2 切眼布置S钻孔参数示意Fig.2 S borehole parameters in open-off cut

钻孔采用ZDY1200S型全液压钻机施工，钻头φ56 mm。工作面钻孔参数根据顶板岩层厚度、岩性、采高等参数确定，工作面切眼水力压裂钻孔布置及参数，如图3所示。

图3 工作面切眼水力压裂钻孔布置及参数Fig.3 Borehole layout parameters of hydraulic fracturing in open-off cut

3 水力压裂钻孔施工状况与效果分析

3.1 水力压裂钻孔施工状况

根据施工记录可知，泵压集中在13～25 MPa之间。在钻孔角度不变的情况下，钻孔裂缝启裂和扩展压力主要跟岩体抗拉强度有关，切眼压裂压力均低于注水泵的额定压力，表明不同钻孔不同深度均实现了岩体的张开破坏；工作面顶板存在较发育的原生裂隙，会对压裂效果产生一定影响；在压裂过程中顶板锚杆、锚索均出现了淋水现象，相邻钻孔也有出水情况，表明压裂过后，原有裂隙和压裂新产生的裂隙完成了扩展贯通，削弱了工作面顶板岩层的完整性；压裂过程中裂隙扩展范围可达10～20 m。

水力压裂钻孔施工记录，见表3与表4。为详细监测压裂压力变化情况，特安装水压仪进行监测压力-时间关系。如图4～7所示。

表3 31411-1工作面水力压裂钻孔施工记录

表4 31411-2工作面水力压裂钻孔施工记录

3.2 水压预裂效果分析

结合图4～7分析可知：钻孔开始压裂后，高压水压力急剧增高到一定值后，随着孔壁岩石的开裂或原生裂隙的进一步张开，压力在某一范围内小幅波动或突然有不同程度的下降，继而进入保压阶段，裂缝随着时间不断的扩展。

图4 31411-1切眼L孔水压情况Fig.4 Water pressure of L borehole in 31411-1 open-off cut

图5 31411-1切眼S孔水压情况Fig.5 Water pressure of S borehole in 31411-1 open-off cut

图6 31411-2切眼L孔水压情况Fig.6 Water pressure of L borehole in 31411-2 open-off cut

图7 31411-2切眼S孔水压情况Fig.7 Water pressure of S borehole in 31411-2 open-off cut

有些压裂在裂缝扩展过程中，压力存在小幅度的波动，裂缝基本以恒定压力向前扩展，说明顶板岩层原生裂隙不发育，岩层较为稳定，裂缝可以实现大范围扩展；有些压裂在裂缝扩展过程中，压力稳定上升或下降，可能是由于岩层的不均匀性或岩层的渗透率不同导致的；还有一些压裂在裂缝扩展过程中，压力波动较为剧烈，可能是由于裂缝扩展过程中遇到了原生裂隙或结构面导致的。

从图7可看出钻孔的开裂压力在15～25 MPa左右，进入保压阶段后，压力为15～20 MPa左右。保压注水阶段时间为30 m左右，压力较为稳定，可以保证裂隙扩展充分。随着压裂位置距孔口距离的减少，破裂压力和扩展压力呈减小趋势。

井下使用注水高压泵为恒流量注水泵，每分钟注水80 L，因此，每次注水量为4.8 m3，每个钻孔注水10次左右，每孔总注水量48 m3，通过岩体中注水也可以达到软化顶板，降低岩体强度的作用。

综上分析，31411工作面顶板坚硬，完整性好，采用水力压裂技术对31411工作面顶板岩层进行弱化后，未出现大面积顶板悬空，保障了工作面的安全生产。

4 结论

(1)根据乌兰木伦煤矿31411工作面的地质条件，分析认为该工作面符合埋藏浅、基岩厚度大等近浅埋煤层的特征，存在采空区悬顶面积大未能及时垮落，初次来压时顶板突然垮落形成飓风伤人等风险。

(2)根据施工记录可知，泵压集中在13～25 MPa之间；在压裂过程中顶板锚杆、锚索均出现了淋水现象，相邻钻孔也有出水情况，表明压裂过后，原有裂隙和压裂新产生的裂隙完成了扩展贯通，削弱了工作面顶板岩层的完整性；压裂过程中裂隙扩展范围可达10～20 m；随着压裂位置距孔口距离的减少，破裂压力和扩展压力呈减小趋势。

(3)采用水力压裂技术对31411工作面顶板岩层进行弱化后，未出现大面积顶板悬空，保障了工作面安全生产。