10116工作面初采放顶水力压裂控制技术研究

谭德贵

摘  要：为了工作面初采强制放顶，临涣煤矿对10116综采工作面进行了水力压裂方案的设计，通过结合现场实际情况，制定了水力压裂技术方案，较以往的深孔或浅孔爆破预裂，施工工艺得到了优化，安全系数有所提高，为实现工作面的安全高效回采提供了指导性意见。

关键词：水力压裂；初次放顶；新技术；安全回采

0引  言

综采工作面初采期间，坚硬顶板悬跨于切眼梁侧的煤体上，可视为两端固支的梁。随着工作面的不断推进，采空区顶板无法及时垮落，悬顶面积不断扩大，在其上覆岩层压力的作用下，当坚硬顶板达到其极限跨距时采空区大面积瞬间垮落时极易形成冲击压，来压时有明显动力现象，常造成支护设备损坏、危及人身安全等恶性事故。因此，在开切眼处需通过提前预裂的方式，人工增加坚硬顶板中裂缝的数目，从而改变坚硬顶板在此支撑点的约束条件和断裂特性，促使采空区悬顶及时垮落。

1工作面位置及概况

10116工作面位于10煤层一水平Ⅰ11采区，地面标高为+26.60～+27.62m，工作面标高-315.0～-467.3m，埋深341.6～493.9m。距离东部进风井南约700～1300m。10116工作面北邻BF18断层，南邻小陈家断层，西至Ⅰ11采区边界，与Ⅰ9采区相邻，东至Ⅰ11轨道石门。工作面走向长为707～817m，平均753m，倾斜长为180m。煤层厚度为0.7～4.77m，平均为3.0m，煤层倾角为5～21°，平均为13°，煤层结构简单，为较稳定煤层。工作面直接顶为粉砂岩，层厚3.1～11.9m，平均6.1m；老顶为细砂岩，层厚3.1～5.1m，平均3.9m；直接底为泥岩，层厚1.8～10.3m，平均5.6m；老底为粉砂岩，层厚37.7～41.0m，平均39.4m。工作面处于10煤层无突出危险区，目前Ⅰ11采区实测10煤层最大瓦斯含量6.52m3/t（-492m），瓦斯压力0.6MPa（-492m）。

2水力压裂控制原理

水力压裂初采放顶的控制原理：工作面初采期间，坚硬顶板悬跨于切眼梁侧的煤体上，可视为两端固支的梁。随着工作面的推进和坚硬顶板悬跨距离的增大，在其上覆岩压力的作用下，当坚硬顶板达到其极限跨距时，便发生初次断裂和垮落。因此，在开切眼处通过水力压裂的方式，人工增加坚硬顶板中裂缝的数目，在坚硬顶板中形成复杂水压裂缝网络，破坏其整体性，从而改变坚硬顶板在此支撑点的约束条件和断裂特性，促使采空区悬顶及时垮落。

3水力压裂现场实施

水力压裂系统主要包括：高压系统（泵+水箱+高压胶管+电控箱）、送装杆、封隔器、水压裂监测系统。施工流程为钻孔-安装封隔器-开泵压裂-停泵卸压-再次定位封隔器，依次循环。全部设备和材料均可重复使用，初期投资不高，长期消耗率也很低，见图1。

 

图1 水力压裂系统设备图

4水力压裂方案

在10116整个切眼及两巷20m范围内进行水力压裂。其中布置14个A孔、13个B孔、两端头布置4个C孔，共计31个钻孔。每个钻孔平均压裂4-5段，共计压裂130段。

预计水力压裂后，直接顶的初次垮落步距为10～15m，细砂岩老顶的初次垮落步距为15～20m左右。对于初采放顶，重点压裂两条线：一是工作面前方10m的断顶线，二是煤壁正上方的顶板。

初采顶板水力压裂控制技术方案：孔A和孔B平行布置，孔A～孔A、孔B～孔B的间距分别为13m，也可调整需要调整为12.5m或者12m。其中：钻孔A在架间垂直煤壁向工作面前方施工钻孔，开孔位置位于煤帮，钻孔仰角为50°，钻孔长度为18.5m；钻孔B大致平行切眼施工，与切眼夹角为15°，开孔位置尽量靠近肩窝，距离肩窝1～1.5m，钻孔仰角为45°，钻孔长度为20m；两巷端头钻孔C大致平行顺槽超向采空区施工，向工作面煤壁方向偏转10°，钻孔仰角为45°，钻孔长度为20m；每段的压裂时间控制在20～30min，具体根据现场施工情况具体调整。

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压裂情况进行适当调整，见图2。

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图2钻孔布置图

5实施效果

⑴初次垮落步距小。10116工作面顶板水力压裂结束后，对工作面的推进后的顶板垮落情况进行了观测，两巷推进6.8m时，老塘侧顶板已有1/3左右垮落；推进17.1m时，老塘侧顶板全部垮落完毕，相较于以往20～25m垮落步距，缩小了3～8m。

⑵初次放顶时长短。10116工作面于2022年2月26日开始初采，至3月8日全部垮落，期间共用时10天，相较于以往需要15～18天左右的垮落时间，初次放顶时长缩短了5～8天。

⑶初次断裂剧烈程度缓。顶板断裂从工作面一侧开始，逐渐扩大，垮落形态由常规的整体一次断裂变为分段多次断裂，初次断裂的剧烈程度相较于采取强制放顶措施变得缓和。

⑷顶板来压效果明显。通过三班对工作面支架，两巷超前管理支架的初撑力、顶底板移近量的观测总结：工作面老顶来压明显，支架工作阻力最大达40MPa, 工作面3月8日顶板大面积来压，矿山压力显现明显

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5结  语

水力压裂强制放顶与传统的深孔预裂爆破放顶术相比有以下优势：一是安全性更高。使用水力压裂杜绝了炸药和雷管的使用，工作环境更加安全；二是工作效率高。水力压裂施工钻孔更少，单孔控制范围大，并且不干扰工作面正常生产及周边工程正常施工，提高了工作效率；三是切缝效果更加明显。水力压裂切缝更加清晰完整，孔壁开裂效果好，水压裂缝沿着竖向扩展延伸，从而切断厚硬的中粗粒砂岩层，促使其及时断裂垮落。

参考文献：

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作者简介：谭德贵(1989—),男,汉族,安徽淮北人,采矿工程师。