水力預(yù)裂放頂技術(shù)在短壁回采工作面頂板控制中的應(yīng)用

文/陳 竹

一、工作面概況

1.工作面位置

神華神東煤炭集團(tuán)公司榆家梁礦52煤三盤區(qū)邊角煤短壁回采工作面位于榆家梁井田東北部，地屬新民蘆草畔村和店塔張明溝村。工作面地表為黃土溝壑區(qū)，地表標(biāo)高：1322~1389m，最大高差67m。工作面南部為52煤回風(fēng)、膠運、輔運三大巷，西部為52煤52309設(shè)計工作面未采動，北部為井田邊界，東部為52煤小窯新陽煤礦越界開采區(qū)。

2.圍巖特征及煤層賦存情況

工作面老頂巖性以細(xì)及中砂巖為主，屬較穩(wěn)定型（Ⅱ），直接頂巖性以泥巖為主，塊狀，致密，厚度1.30~2.37m，屬不穩(wěn)定型（Ⅰ）。底板巖性為灰褐色粉砂巖，塊狀，致密，厚度0.55~2.84m，遇水泥化，受回采塌陷地壓影響地段巷道底鼓嚴(yán)重。巷道圍巖特征如表1所示。

表1 巷道圍巖特征表

工作面煤層屬低變質(zhì)煙煤，黑色，條痕褐黑色，瀝青或油脂光澤，線理細(xì)條帶狀結(jié)構(gòu)，硬度大，賦存穩(wěn)定，煤厚 2.2~3.0m，平均 2.8m，傾角 1°~2°，容重 1.31t/m3。后生裂隙發(fā)育，燃點315℃，單向抗壓強(qiáng)度為273~569（kg/cm2），堅固系數(shù)3.5。宏觀煤巖特征：以半暗型煤為主，局部半亮型煤占優(yōu)勢，光亮型及暗淡型少見，宏觀煤巖組成中亮煤及暗煤含量較高，絲炭次之。

地層總的趨勢是以極緩的坡度向西傾斜的單斜構(gòu)造，傾角1°~2°；斷層不發(fā)育，后生裂隙發(fā)育。

3.工作面設(shè)備配備

（1）短壁回采工作面全部使用引進(jìn)的連采機(jī)及其配套設(shè)備施工。

（2）選用美國JOY公司制造的12CM15-10D型連采機(jī)來完成割煤和裝煤工序，選用JOY公司制造的10SC32-48B-5型梭車來完成煤炭運輸，利用GP460/150型破碎機(jī)完成煤炭的轉(zhuǎn)載和破碎工作，破碎機(jī)運出的煤炭通過DSP1063/1000帶式輸送機(jī)運出工作面到膠帶機(jī)頭經(jīng)主運輸系統(tǒng)運出地面進(jìn)入原煤倉。

（3）選用太原煤科院生產(chǎn)制造的CNMM25-4型錨桿機(jī)完成巷道支護(hù)工作，使用M.R.S.-17型線性支架來完成回采時的支護(hù)工作。

（4）選用UN-488型鏟車來完成材料、設(shè)備的運送和搬移，以及巷道浮煤的清理等工作。

（5）選用無軌膠輪車完成人員、物料、設(shè)備等的輔助運輸。

二、水力壓裂放頂技術(shù)介紹

1.壓裂裝置組成

頂板水力壓裂包括封孔、高壓水壓裂、保壓注水、壓裂監(jiān)測等主要工序，該壓裂系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：靜壓水進(jìn)水管路、高壓水泵、注水管、蓄存壓裂介質(zhì)水和油的儲能器、手動泵、高壓注水膠管、高壓封孔器、壓力流量監(jiān)測儀。

2.壓裂工藝

采用水力壓裂技術(shù)控制煤礦堅硬難垮頂板工藝過程如圖1所示。

（1）采用橫向切槽的特殊鉆頭，預(yù)制橫向切槽，如圖1(a)所示，榆家梁煤礦頂板巖層不屬于堅硬巖石，無需實施開槽作業(yè)。

（2）利用手動泵為封隔器加壓使膠筒膨脹，達(dá)到封孔目的，如圖1(b)所示。

（3）連接高壓泵實施壓裂，如圖1(c)所示。

圖1 水力壓裂控制堅硬頂板巖層示意圖

（4）封孔工藝流程圖如圖2所示。封孔壓力為12~16MPa，嚴(yán)格按照圖2連接管路，保證連接處密封完好，試壓達(dá)到要求后投入使用。試壓時加壓到2~5MPa檢查密封情況。

圖2 封孔工藝流程圖

（5）加壓壓裂工藝流程如圖3所示。壓裂時間根據(jù)泵壓確定，泵壓穩(wěn)定后停止壓裂。

圖3 加壓壓裂工藝流程圖

3.施工要求

（1）施工單位必須嚴(yán)格按照設(shè)計參數(shù)進(jìn)行施工，工程質(zhì)量要求遵從《煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)化》的規(guī)定。

（2）工程施工期間，若遇到頂板、幫部條件不好或有異常狀況，必須及時采取加強(qiáng)支護(hù)措施。

（3）施工期間的積水、煤渣必須及時排放至規(guī)定地點，鉆孔和壓裂積水由排水泵通過排水管排走。

（4）鉆孔施工要求鉆孔盡可能平直，避免大幅拐彎導(dǎo)致無法實施壓裂。

（5）鉆孔前必須由現(xiàn)場技術(shù)人員、質(zhì)量員共同標(biāo)出鉆孔位置并編號，嚴(yán)格控制打眼方位、角度。

（6）壓裂過程中，安排專人觀測壓裂鉆孔附近頂板情況，出現(xiàn)漏水時停止此次壓裂，進(jìn)行下次壓裂。

（7）壓裂過程中，在沒有出現(xiàn)大量漏水的情況下，壓裂時間不少于30min。

（8）壓裂過程中，要隨時觀測頂板支護(hù)情況，出現(xiàn)錨桿或錨索斷裂時，立即停止該孔壓裂，設(shè)置臨時支護(hù)，另行壓裂40m范圍以外的鉆孔，并及時進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

4.施工工序

進(jìn)入工作面進(jìn)行瓦斯檢查→施工前保護(hù)原有管、纜線→鉆孔布置→鉆孔→封孔→壓裂→竣工驗收。

打眼機(jī)具：鉆孔采用全液壓ZDY1200S鉆機(jī)及配套鉆機(jī)平臺，鉆桿為長度1.5m的Φ42mm鉆桿，采用Φ56mm鉆頭。

5.壓裂工藝

（1）安裝、調(diào)試工作結(jié)束后，連接注水鋼管將封孔器推送至預(yù)定位置。

（2）手動泵加壓封孔器，待壓力達(dá)到12~20MPa后停止加壓，觀察鉆孔并監(jiān)測壓力表，確保封孔器正常工作。

（3）距離壓裂孔10m處拉警戒，試驗期間除作業(yè)人員外禁止人員通行，操作人員以及作業(yè)設(shè)備應(yīng)位于支護(hù)條件良好的位置。

（4）給高壓水泵先通水再通電，然后慢慢加壓，同時記錄水泵壓力表以及手動泵壓力表數(shù)據(jù)，繼續(xù)加壓直至預(yù)裂縫開裂。

（5）完成單孔多次壓裂作業(yè)。

6.壓裂過程中的頂板管理

（1）壓裂過程中頂板與支護(hù)觀測。在短壁回采工作面實施水力壓裂作業(yè)過程中，為保證壓裂過程中頂板及人員安全，加強(qiáng)頂板管理，特制定如下安全技術(shù)措施：

①要對壓裂過程中及壓裂后頂板出水及變形情況進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)出水情況及時調(diào)整壓裂次數(shù)與壓裂位置，保證人員及頂板安全。交接班后，及時檢查壓裂頂板20m范圍內(nèi)的兩幫、頂板及支護(hù)情況，發(fā)現(xiàn)煤壁片幫或頂板離層、鱗皮等情況時，必須進(jìn)行及時處理。

②交接班時，班組長必須對壓裂后的頂板及支護(hù)等情況進(jìn)行全面檢查，確認(rèn)無危險后，方可實施下次壓裂。

③壓裂過程中，嚴(yán)禁任何人員從壓裂孔前通過，并在壓裂孔兩側(cè)10m范圍內(nèi)設(shè)置警戒，嚴(yán)禁非壓裂人員進(jìn)入。

④壓裂過程中安排專人觀測壓裂孔周圍頂板變化情況，出現(xiàn)漏水較大情況時，通知高壓泵操作員立即停泵，實施下次壓裂。

⑤壓裂過程中安排專人觀測支護(hù)變化情況，如出現(xiàn)錨索斷裂情形時，立即通知高壓泵操作員，停止該孔的所有壓裂作業(yè)，補(bǔ)打支護(hù)后再施工。

（2）壓裂過程中特殊情況處理。在壓裂過程中，如遇巷道頂板有以下特殊情況的需另行處理：

①頂板大面積冒落，必須及時采取加強(qiáng)支護(hù)措施處理頂板。

②頂板離層、冒落形成網(wǎng)兜的，必須及時處理網(wǎng)兜，進(jìn)行補(bǔ)網(wǎng)、補(bǔ)打錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

③過往行人必須在有支護(hù)的頂板下行走，通過破碎段時應(yīng)觀察好頂板情況，確保安全后方可迅速通過。

④壓裂過程中，頂板涌水量增大時，立即停止作業(yè)，利用封孔器封孔并提前做好排水工作。有效控制涌水后方可再次實施壓裂，壓裂孔距離涌水處應(yīng)大于40m。

三、水力壓裂放頂技術(shù)的實踐應(yīng)用

在52煤三盤區(qū)邊角煤短壁回采面第二采區(qū)試驗采用水力壓裂放頂技術(shù)管理頂板。該試驗項目分為兩個階段，分述如下：

1.第一區(qū)段水力壓裂放頂情況

（1）巷道及鉆孔布置。第一區(qū)段面積17660m2、儲量6.94萬t，布置支巷8條，平均長度136m，共計1092m。

在每個支巷聯(lián)巷內(nèi)施工1個壓裂鉆孔L和2個壓裂鉆孔S。鉆孔參數(shù)為：壓裂鉆孔—L，仰角為25°，斜長33m；壓裂鉆孔—S，仰角為48°，斜長27m。第一區(qū)段巷道布置及壓裂孔布置如圖4所示。

圖4 第一區(qū)段巷道布置及壓裂孔布置圖

（2）回采順序及頂板垮落情況。

①第一區(qū)段掘進(jìn)及回采時2條支巷為一組，如1、2支巷掘進(jìn)到位后，掘進(jìn)3、4支巷，同時對1、2支巷進(jìn)行水力壓裂；3、4支巷掘進(jìn)到位后，回采1、2支巷，同時對3、4支巷進(jìn)行水力壓裂，如此往復(fù)。

②第1、2支巷第一條帶回采完畢后（回采面積約1200m2），次日中午頂板初次垮落，頂板垮落較為理想，直接頂冒高4~5m，充填嚴(yán)實；在隨后的回采中，頂板垮落一般滯后于采面1~3個采硐，即5~15m。

③回采4支巷至1聯(lián)巷口時，由于在聯(lián)巷口懸頂面積較大、頂板經(jīng)過水預(yù)裂后破壞較為充分，且施工隊伍回采經(jīng)驗不足，沒有在聯(lián)巷口留設(shè)三角煤柱支撐頂板，造成工作面頂板超前冒落，導(dǎo)致一次支架被掩埋的事故，事故發(fā)生后現(xiàn)場人員組織施救得當(dāng)，沒有造成人員傷害或設(shè)備損壞現(xiàn)象。

2.第二區(qū)段水力壓裂放頂情況

在對第一區(qū)段水力壓裂施工后工作面頂板垮落情況進(jìn)行深入、全面的分析，并充分吸取第一區(qū)段回采的經(jīng)驗和教訓(xùn)之后，對第二區(qū)段的壓裂鉆孔布置進(jìn)行了調(diào)整。

（1）巷道及鉆孔布置。第二區(qū)段面積9640m2、儲量3.80萬t，布置支巷6條（最長116m），共計582m。

壓裂鉆孔布置：第一區(qū)段回采完畢后，優(yōu)化了回采工藝及鉆孔布置，本著節(jié)約成本、減少鉆孔數(shù)量的原則，盡量做到水力壓裂施工與連采掘進(jìn)回采之間的平衡，對鉆孔布置進(jìn)行了優(yōu)化，從實際回采過程來看，效果很好。

第二區(qū)段只在每條支巷邊界聯(lián)巷內(nèi)施工3個壓裂孔，即1個L孔和2個S孔，以充分破壞頂板的完整性，其他聯(lián)巷內(nèi)只布置1個L孔，同時增加L孔的長度至40m，以便其垂高能夠有效破壞頂板關(guān)鍵層。鉆孔參數(shù)：壓裂鉆孔—L，仰角為25°，斜長40m；壓裂鉆孔—S，仰角為48°，斜長27m。第二區(qū)段巷道布置及壓裂孔布置如圖5所示。

圖5 第二區(qū)段巷道布置及壓裂孔布置圖

（2）回采順序及頂板垮落情況。

①為避免回采時頂板壓力集中到回采的聯(lián)巷口處，變更了支巷回采順序，按條帶順序后退回采，即6條支巷全部掘進(jìn)到位后，順序后退回采第一、第二、第三條帶。

②頂板第一條帶第一采塊回采完畢后（回采面積約1300m2），次日中午頂板初次垮落，頂板垮落較為理想，直接頂冒高4~5m，充填嚴(yán)實；在隨后的回采中，頂板垮落一般滯后于采面1~3個采硐，即5~15m。

③由于回采順序的變更及回采經(jīng)驗的豐富，回采過程中沒有再次發(fā)生壓死支架事故。

④雖然減少了鉆孔數(shù)量 （每條支巷減少4個S孔，減少費用2.7萬元），但是頂板垮落效果也很好，達(dá)到了預(yù)想的優(yōu)化目的。

四、存在問題及改進(jìn)措施

1．水力壓裂施工與掘進(jìn)、回采工序之間的平衡需要結(jié)合實際進(jìn)行充分協(xié)調(diào)，以免出現(xiàn)掘進(jìn)、回采和壓裂施工工序之間在時間和空間上的沖突，影響工作面生產(chǎn)組織。

2．在壓裂過程中經(jīng)常會出現(xiàn)頂板順著錨索孔淋水等現(xiàn)象，究其原因是極小一部分高壓水通過頂板巖層裂隙滲向錨索孔，并通過錨索孔流出。錨索淋水不大的情況下并不影響水力壓裂效果，也不會對已施工錨索的錨固力產(chǎn)生影響。但錨索淋水勢必影響工作面質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化及煤質(zhì)管理，因此要時刻關(guān)注頂板淋水變化情況，及時采取導(dǎo)流、抽排等措施。

3．水力壓裂頂板對頂板的破壞情況受鉆孔深度、角度、注水強(qiáng)度、注水時間、頂板狀況等多重因素影響，尤其是上覆巖層狀況變化的不確定性給頂板破壞情況的預(yù)估造成了一定的困難。但根據(jù)回采經(jīng)驗，通過優(yōu)化短壁回采工藝，合理控制回采期間煤柱留設(shè)，尤其是在支巷聯(lián)巷等巷道交叉點留設(shè)2m左右的支撐煤柱，可使采空區(qū)頂板垮落處于可控范圍，不僅能確?；夭善陂g的安全，又能使煤柱在該支巷回采結(jié)束前被壓垮，從而確保頂板能夠及時垮落。

五、結(jié)論

榆家梁煤礦52煤三盤區(qū)邊角煤短壁回采面采用水力壓裂頂板技術(shù)，有效解決了回采后采空區(qū)大面積懸頂?shù)膯栴}，回采后頂板能夠及時垮落，減少了大面積懸頂造成的安全隱患，且該技術(shù)的應(yīng)用能顯著減少火工品的使用，從而降低相應(yīng)的安全風(fēng)險，對于確保工作面安全生產(chǎn)、降低生產(chǎn)成本有積極的意義，具有良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。