孫志勇,馮彥軍,郭相平

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

在煤礦開采中，堅(jiān)硬難垮頂板是指賦存在煤層上方或厚度較薄的直接頂上面厚而堅(jiān)硬的砂巖、礫巖或石灰?guī)r等巖層[1-2]。傳統(tǒng)的處理堅(jiān)硬頂板方法主要采用超前深孔預(yù)裂爆破弱化方式，預(yù)裂爆破導(dǎo)致的震動(dòng)會(huì)對(duì)地面建筑及周圍環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。同時(shí)爆破需用大量火藥，每孔用量達(dá)幾十千克，危險(xiǎn)性高，需在所有回風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置警戒，爆破產(chǎn)生的有害氣體、火焰等將會(huì)帶來一系列危害。

鳳凰山煤礦15#煤層直接頂為K2石灰?guī)r，平均厚度10m?，F(xiàn)場采用WQCZ-56型圍巖強(qiáng)度測試裝置對(duì)該巖層進(jìn)行原位強(qiáng)度測試得知，K2灰?guī)r的單軸抗壓強(qiáng)度在100M～140MPa之間，屬于典型的強(qiáng)度高、整體性強(qiáng)、自穩(wěn)能力強(qiáng)的堅(jiān)硬頂板。此類頂板在開采過程中，初次來壓和周期來壓步距較大，礦壓顯現(xiàn)十分明顯。若采用超前深孔預(yù)裂爆破弱化方式處理工作面的難垮頂板時(shí)，會(huì)導(dǎo)致局部CO積聚，安全管理難度加大，不利于安全生產(chǎn)。

針對(duì)上述問題，運(yùn)用定向水力壓裂技術(shù)[3-5]在鳳凰山煤礦[6]進(jìn)行井下試驗(yàn)，為該技術(shù)的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 現(xiàn)場試驗(yàn)

1.1 施工方案

根據(jù)工作面頂板圍巖強(qiáng)度、圍巖性質(zhì)與結(jié)構(gòu)和地應(yīng)力場特征，以及在晉煤集團(tuán)王臺(tái)鋪煤礦的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定試驗(yàn)方案，分別在XV4306和XV5302兩個(gè)工作面進(jìn)行定向水力壓裂技術(shù)應(yīng)用研究，工作面長度中-中180m。

切眼初次水力壓裂鉆孔布置如圖1(a)所示。鉆孔布置在開切眼工作面推進(jìn)側(cè)幫，采用直徑φ56mm的鉆頭進(jìn)行打孔，方向與工作面推進(jìn)方向一致。孔口位于幫頂角距頂板200～300mm，鉆孔度50m，仰角為20°，鉆孔間隔20m布置一個(gè)。

切眼二次水力壓裂鉆孔布置如圖1(b)所示，鉆孔位置、鉆孔方向和鉆頭參數(shù)與初次水力壓裂鉆孔相同?？卓谖挥趲晚斀蔷囗敯?00～300mm，鉆孔深30m，仰角為20°，鉆孔間距20m，交叉布置在初次壓裂鉆孔中間。

由于鉆孔變形后壓裂等一系列工作無法正常進(jìn)行，為保證水力壓裂處理堅(jiān)硬頂板的效果，需在綜采工作面設(shè)備如采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)等安裝之前完成定向水力壓裂，并且要求初次壓裂鉆孔全部致裂結(jié)束后再進(jìn)行二次壓裂施工。

1.2 施工工藝

1.2.1 壓裂鉆孔打設(shè)及開槽

鉆孔鉆進(jìn)使用ZDY-1200型煤礦用全液壓坑道鉆機(jī)、堅(jiān)硬巖石專用鉆頭在需壓裂的堅(jiān)硬頂板上打孔。根據(jù)圍巖條件，鉆頭直徑為56 mm，鉆孔參數(shù)根據(jù)堅(jiān)硬頂板的厚度及鉆孔的角度確定。

第一個(gè)鉆孔施工完畢后，利用小孔徑全景鉆孔窺視儀觀測鉆孔圍巖結(jié)構(gòu)，根據(jù)裂隙分布情況確定開槽位置。第二個(gè)鉆孔施工至開槽位置后停止鉆進(jìn)，將普通鉆頭換為可預(yù)制橫向切槽的KZ54特殊鉆頭(圖2)，伸直指定位置開設(shè)出一個(gè)直徑約為孔徑一倍的楔形槽。

圖1 工作面切眼水力壓裂鉆孔布置

圖2 KZ54型切槽鉆頭

開槽處需選擇頂板堅(jiān)硬完整段。預(yù)計(jì)開槽鉆頭快到鉆孔尾部時(shí)，伸進(jìn)速度放緩，當(dāng)開槽鉆頭到達(dá)鉆孔底部時(shí)，要將鉆桿往回退一點(diǎn)，然后加5MPa壓力緩慢向前鉆進(jìn)，使開槽刀片緩慢張開，不要加壓過猛，避免開槽鉆頭受到?jīng)_擊。

開槽過程中通過觀察鉆孔流出的水來判斷開槽進(jìn)程，完成開槽后撤出開槽鉆頭，換普通鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至下一開槽位置再進(jìn)行開槽工序，如此循環(huán)，直至鉆孔打設(shè)結(jié)束。

整個(gè)鉆孔打設(shè)與開槽工作全部完畢后要用靜壓水沖洗。

要求在鉆進(jìn)過程中盡量降低鉆進(jìn)速度，保持穩(wěn)定的鉆機(jī)進(jìn)給力(一般7MPa左右)，鉆孔完成后要近似為一條直線，有利于封孔器的推入。

1.2.2 鉆孔注水壓裂

封孔。采用兩個(gè)橡膠封孔器組成的自平衡結(jié)構(gòu)進(jìn)行封孔，封孔方法是將封孔器與注水鋼管密封連接，插入鉆孔至預(yù)定封孔位置，即將壓裂鋼管段置于預(yù)裂縫處，然后通過手動(dòng)泵向封孔器注水加壓到10M～12MPa，使封孔器橡膠管膨脹撐緊孔壁，由于該系統(tǒng)采用雙封自平衡結(jié)構(gòu)，能承受60M～80MPa的水壓，能夠確保高壓水使預(yù)裂縫起裂并不斷擴(kuò)展，達(dá)到壓裂頂板效果。

水力壓裂。鉆孔壓裂是利用高壓三柱塞泵提供高壓水，最高壓力可達(dá)到80MPa，經(jīng)高壓膠管、注水鋼管以及壓裂鋼管進(jìn)行壓裂，通過觀測高壓泵的壓力表數(shù)據(jù)判斷預(yù)裂縫的起裂。預(yù)裂縫起裂后壓力表數(shù)據(jù)會(huì)有所下降，以后進(jìn)入穩(wěn)壓階段，此階段裂紋擴(kuò)展的同時(shí)會(huì)伴隨新裂紋的產(chǎn)生，通常情況下穩(wěn)壓注水至少20min，保證頂板巖層裂紋能夠充分?jǐn)U展。

1.2.3 效果監(jiān)測

在壓裂孔周圍布置觀測孔，壓裂過程中觀測孔是否有水冒出，大致確定壓裂的范圍；通過監(jiān)測工作面回采后支架受力、頂板來壓步距，評(píng)價(jià)水力壓裂控制頂板的效果。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

鳳凰山礦北翼XV4306工作面2013年9月10日開始試采， 2013年9月16日采煤機(jī)機(jī)頭推進(jìn)14.6m，機(jī)尾推進(jìn)16.5m時(shí)，工作面基本頂K2石灰?guī)r開始分層垮落，9月18日采煤機(jī)機(jī)頭推進(jìn)25.1m，機(jī)尾推進(jìn)28.6m，工作面基本頂垮落完畢。

XV5302綜采工作面于2014年1月6日開始初采，截至1月14日早班結(jié)束，機(jī)頭推進(jìn)25.1m，機(jī)尾推進(jìn)33.1m。在初采期間，于1月14日夜班開始工作面老頂初次大面積垮落，頂板初采來壓。

結(jié)合支架受力變化監(jiān)測結(jié)果(圖3)，XV4306工作面初次來壓步距為26m，在工作面回采過程中，支架受力波動(dòng)不大，頂板初次來壓強(qiáng)度最大為5920kN，來壓強(qiáng)度較低；XV5302工作面初次來壓步距為27.2m，頂板初次來壓最大為7104.24kN，小于支架額定工作阻力8000 kN。

圖3 工作面回采期間支架工作阻力分布圖

3 結(jié)論

1)通過上述兩個(gè)工作面的定向壓裂試驗(yàn)表明，定向水力壓裂技術(shù)能有效將工作面頂板弱化，在頂板巖層中形成貫通裂隙，破壞了頂板的完整性，在工作面推進(jìn)過程中能夠分層分次垮落，減小對(duì)工作面支架的沖擊。

2)與深孔爆破處理頂板(工作面初次來壓步距約30～35m)相比定向水力壓裂技術(shù)具有來壓步距小、施工速度快、安全管理難度低、對(duì)地面及工作面環(huán)境影響小等多方面優(yōu)勢。

3)定向壓裂技術(shù)可使鳳凰山煤礦十五號(hào)煤礦堅(jiān)硬難垮頂板分層分次及時(shí)垮落，已在晉城礦區(qū)此類頂板控制中推廣應(yīng)用，為我國堅(jiān)硬難垮頂板控制提供了新的手段。

[1] 陳炎光，錢鳴高．中國煤礦采場圍巖控制[M]．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1994．

[2] 靳鐘銘，徐林生．煤礦堅(jiān)硬頂板控制[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，1994．

[3] 康紅普，馮彥軍．定向水力壓裂工作面煤體應(yīng)力監(jiān)測及其演化規(guī)律[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012，37(12) ：1953-1959．

[4] 馮彥軍，康紅普．定向水力壓裂控制煤礦堅(jiān)硬難垮頂板試驗(yàn)[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31(6) ，1148-1155．

[5] 馮彥軍．煤礦堅(jiān)硬難垮頂板水力壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)理研究及應(yīng)用[D].北京：煤炭科學(xué)研究總院，2012．

[6] 趙學(xué)斌.綜采工作面堅(jiān)硬頂板水力壓裂技術(shù)[J].煤，2014 (3)：36-39.