高压水力压裂技术在坚硬顶板弱化控制中的应用

焦世雄

（晋能控股煤业集团白洞矿业大同有限公司，山西 大同 037000）

同煤集团白洞煤矿在使用综采放顶煤技术开采二叠系特厚煤层时，因工作面煤层顶板坚硬，回采过程中不会及时垮落，在基本顶初次来压期间工作面矿压表现极为剧烈，对工作面安全生产带来较大影响。根据该矿煤层地质情况及开采条件分析可知，仅仅依靠提高工作面液压支架的支撑力来增强对顶板的支撑强度是不能有效降低工作面矿压显现强度的，还需要采取弱化顶板强度措施来缓解工作面高应力集中问题，从根本上来解决工作面矿压显现剧烈问题。为此，结合工作面实际开采条件，提出高压水力压裂弱化煤层坚硬顶板技术，经现场应用效果分析，取得了较好效果。

15112 工作面位于15 采区南翼最上部，东部为15111 工作面采空区，西部为15 采区边界临近FB57 断层下盘防隔水煤柱，南部为矿井边界保护煤柱，北部为15 采区回风、轨道和胶带下山三条巷道。工作面倾斜长165 m，走向长1058 m，工作面开采二1 煤层，煤层平均厚度8.3 m，平均倾角5°，采用综合机械化放顶煤开采工艺，采高为3 m，放煤高度为5.3 m，采用全部垮落法处理采空区顶板。工作面煤层直接顶为K2 石灰岩与泥岩细粒砂岩互层，其中K2 石灰岩硬度较大，平均厚度6.2 m，直接底为泥岩。

根据邻近15111 工作面回采期间工作面矿压观测分析可知，工作面基本顶初次来压步距为68.8 m左右，周期来压步距25.7 m 左右。工作面基本顶初次来压和周期来压期间，顶板压力显现非常明显且持续时间也非常长，工作面液压支架立柱安全阀打开次数非常频繁。初次来压期间，支架立柱下缩较大，最大时可达到350 mm/h，来压强度平均达到56 MPa 以上，周期来压期间来压强度平均达到42 MPa，矿压显现表现为工作面中部大于上下两个端头。在来压期间工作面煤墙片帮程度及范围也明显增大，上下顺槽巷道经常还会出现点柱和坑木梁压断、刚性梁压弯、巷道顶板下沉量增大等现象。

2.1 高压水力压裂技术原理

地下岩层由于是由多种矿物质组合而成，其整体结构极为复杂，岩层中存在许多遇水容易发生膨胀变形的黏土层，岩体本身也存在大量节理和裂隙，具有各向非均质的特性。岩体受到水的高压作用力和长时间浸泡后，岩层结构和物理性质将会发生改变，岩层的黏结力下降、渗透性增强、抗压能力降低，同时岩体内部节理、裂隙也发生了二次发育和扩展，使岩体的整体结构和强度被进一步破坏[1-2]。高压水力压裂技术就是利用水的高压作用可以弱化岩体强度的特点，通过在坚硬岩层顶板内施工预裂钻孔后向岩体内注入高压水，在水的高压和渗透作用下，使岩层内部结构和物理性质发生改变，裂隙、节理得到二次扩展和发育，致使岩体整体强度降低，从而实现弱化坚硬顶板的目的[3-6]。

2.2 高压水力压裂施工工艺流程

高压水力压裂施工工艺流程主要分为四个步骤[7-8]，分别为钻孔—割缝—封孔—高压注水，其使用的主要装备有高压注水泵及水箱、切槽钻头、钻杆、专用封孔器、高压管路、电器控制箱等，施工设备及系统布置如图1。

图1 高压水力压裂施工系统布置示意图

在工作面进行高压水力压裂施工时，通常是在工作面切眼和进风巷及回风巷巷道内布置钻机，但当巷道断面达不到钻机所需要求时可在巷道内施工钻场用于放置钻机。钻孔施工时按照钻孔设计要求朝巷道顶板进行钻进，为满足钻孔施工要求，要根据工作面岩层性质及钻孔设计参数来选取钻机型号，同时为便于钻孔和封孔作业顺利进行，钻孔位置应选择岩层壁面光滑、内部无明显节理裂隙和顶板离层的地点。当钻孔施工到预定位置后，将钻头更换为切槽钻头，在钻孔底部切割出一个2 倍直径的楔形槽（如图2），并使用钻孔窥视镜对钻孔开槽情况进行查验。当钻孔开槽施工结束达到设计要求后先对钻孔进行预冲孔处理，然后使用专用封孔器对钻孔进行封孔，最后连接好高压管路开启高压注水泵对钻孔进行高压注水压裂顶板岩层。

图2 钻孔切槽示意图

3.1 切眼内钻孔施工方案

在15112 工作面切眼内沿倾向方向设计布置两排水力压裂钻孔，其中一排钻孔位于工作面切眼煤壁侧，与水平方向成60°夹角，孔深7.0 m；
另一排位于工作面切眼采空区侧，与水平方向成80°夹角，孔深12.0 m。两排钻孔均设计距工作面底板2.5 m，孔间距为15 m，钻孔直径为75 mm。煤壁侧钻孔与采空区侧钻孔呈交错布置，具体设计如图3。

图3 15112 工作面切眼水力压裂钻孔布置示意图（m）

3.2 顺槽钻孔施工方案

在15112 工作面进风顺槽和回风顺槽内回采侧和煤柱侧距巷帮1.0 m 位置分别设计布置一排水力压裂钻孔，钻孔垂直于巷道顶板施工，钻孔直径为32 mm。其中巷道回采侧钻孔孔深为6.0 m，煤柱侧钻孔孔深为10.0 m，钻孔间距均设计为8.0 m。巷道煤柱侧钻孔与回采侧钻孔呈交错布置。15112 工作面顺槽钻孔布置如图4（以回风巷钻孔布置为例）。

图4 15112 工作面顺槽力压裂钻孔布置示意图（m）

3.3 水力压裂施工技术参数

设计注水压力为30～50 MPa，注水时间设计为30～40 min。在现场施工作业过程中，可根据现场实际情况对施工参数进行优化调整。

在15112 工作面回采初期，在工作面试验应用高压水力压裂技术对工作面坚硬顶板进行超前预裂施工，施工后利用钻孔窥视仪对顶板压裂效果进行窥视探查，结果如图5。由图5 观察的结果分析可知，在孔口位置是顶板岩层的原生裂隙，未受到水力压裂作用的影响，而在孔底位置则发育有多条明显纵横交替的裂隙，由此说明高压水力压裂作用取得明显的效果。同时，在工作面回采过程中，对工作面矿压变化情况进行在线监测，根据监测结果显示，15112 工作面在回采过程中初次来压步距为36.9 m，初次来压强度为26.8～36.2 MPa，平均为32.6 MPa；
周期来压步距11.2～13.5 m，平均12.3 m，来压强度18.2～21.4 MPa，平均19.8 MPa。工作面应用高压水力压裂技术后，初次来压步距和来压强度比未应用前分别降低了46.4%和41.8%，周期来压步距和来压强度分别降低了52.1%和52.9%；
工作面初次来压和周期来压期间，工作面煤壁片帮最大长度2 m，片帮深度0.8 m，未出现大面积片帮和漏顶流煤现象。由此表明高压水力压裂技术能够降低工作面坚硬顶板整体强度，达到弱化和控制的目的，为工作面安全生产提供有力保障。

图5 15112 工作面水力压裂钻孔窥视情况

通过在15112 工作面坚硬顶板岩层内提前施工水力压裂钻孔，采用高压注水方式对基本顶岩层进行切缝压裂，使其内部裂隙和层理形成二次发育。现场应用结果表明，高压水力压裂技术能够大幅度缩短工作面基本顶初次来压和周期来压步距，降低来压强度，工作面顶板和煤壁得到有效控制，为工作面安全生产提供有效保障，为类似条件下工作面坚硬顶板弱化控制提供技术参考。