坚硬顶板煤层工作面水力压裂控顶技术研究

坚硬顶板煤层工作面水力压裂控顶技术研究摘要：为降低坚硬顶板对工作面回采影响，本文以3207工作面为研究对象，提出将水力压裂控顶技术应用到顶板管理中，并分析工程应用效果用开采煤层顶板上覆坚硬且厚度较大的岩层时，在工作面回采后容易引起采空区顶板垮落面积大、难以垮落等情况，进而引起采空区漏风严重、工作面矿压显现异常、回采巷道围岩变形量增大等问题1-2)。弱化是实现坚硬顶板及时垮落的主要技术措施，水力压裂是较常用的顶板弱化技术，众多学者及技术人员对水力压裂顶板弱化技术进行研究，李鹏强31针对寺河矿二井153320工作面顶板坚硬、矿压显现异常等问题，提出采用水力压裂方法弱化顶板，并结合现场情况制定切眼、回采巷道水力压裂钻孔布置方案，现场应用后，水力压裂区域内裂隙发育，顶板来压步距及矿压显现程度明显降低，取得较好坚硬厚顶板放顶效果；王春林4等针对巴拉素煤矿2102工作面顶板难以垮落问题，综合采用“定向长钻孔水力压裂、常规短钻孔水力压裂”方法弱化顶板，现场应用后，工作面回采期间顶板可及时垮落，矿压显现呈现“频繁小来压”特征，可满足工作面回采需要；朱正东5以正利煤业14-1-201综放工作面为研究对象，针对工作面初采来压步距过大引起顶煤损失问题，在综合比对现有顶板压裂方法基础上提出采用水力压裂方法切顶卸压，并给出钻孔布置参数、确定水力压裂方案。现场应用后，工作面采空区顶板悬空距离明显降低，取得较好卸压效果。本文在结合以往研究成果基础上，以陕西某矿3207综采工作面为研究对象，结合回采的3#煤层顶板坚硬问题，给出水力压裂控顶技术方案，现场应用后取得较好顶板弱化效果，为工作面安全高效回采创造了条件。1工程概况陕西某矿3207工作面回采的3#煤层平均厚度煤层直接顶以裂隙发育且松软的炭质泥岩、泥岩为主，基本顶为厚度大且坚硬的K2灰岩及细砂岩，直接底为泥岩，3#煤层顶底板岩性参数见表1。3#煤层基本顶表13#煤层顶底板岩性参数3207工作面南侧为回采完毕的3205采空区、北侧为3209工作面(回采巷道未掘进)、西侧为5盘区集中巷道、东侧为采面切眼。工作面布置有3条回采巷道，采用两进一回通风方式，3205工作面胶运巷(复用巷风量为1250m³/min;3205工作面胶运巷与3205采空区间、3207辅运巷与3207胶运巷间均留设19m宽护巷煤柱。3207工作面回采巷道布置情况如图1所示。19m区段煤柱图13207工作面回采巷道布置示意图由于3#煤层基本顶坚硬、难以垮落，邻近的3205工作面回采期间矿压显现异常、采空区漏风量大且工作面回采巷道变形严重，制约煤炭回采。为此，提出在3207工作面切眼及辅运巷布置水力压裂钻孔对顶板进行弱化，使煤层基本顶可及时垮落，为工作面煤炭高效回采创造条件用2水力压裂布置方案针对回采的3#煤层基本顶坚硬、难以垮落问题，提出采用水力压裂技术弱化3207工作面切眼、辅运巷顶板用通过对顶板钻孔进行分段水力压裂，可使顶板形成错综分布的裂隙，达到降低顶板强度、承载能力效果，起到缩短来压步距、降低来压强度效果在切眼、辅运巷按照设计位置钻进钻孔，成孔后利用手动泵注水使封隔器膨胀，实现封孔；利用高压泵向钻孔内注水，当注水压力超过破岩压力后，压裂区域内岩体中原有裂隙会扩展并产生新缝隙，保压一定时间后排水释放压力并完成一段压裂；按照设计的压裂间隔将压裂管、封隔器回撤至第二段压裂位置，继续第二段压裂，重复上述压裂过程直至整个钻孔完成水力压裂用水力压裂示意情况如图2所示用(a)平面图(b)剖面图图2切眼顶板初次压裂钻孔布置示意图2.2顶板水力压裂布置方案3207工作面回采区域内3#煤层平均厚度5.69m,采面回采后顶板垮落高度按照5倍采高估算，则顶板垮落高度为28.45m用考虑到3#煤层直接顶为厚度及细砂岩，水压压裂应集中在上覆坚硬的基本顶区域，结合以往施工经验，确定水力压裂高度为30m用2.2.1切眼顶板水力压裂3207工作面切眼水力压裂钻孔分2次施工，钻孔开孔均处于工作面煤壁位置，为确保切眼顶板压裂效果，在工作面液压支架安装前完成顶板水力压裂①切眼顶板初次压裂切眼顶板初采压裂钻孔布置参数为：钻孔均垂直位置，布置的钻孔孔径为65mm,孔深为45m,钻孔与3#煤层顶板夹角45°,钻孔间隔20m,靠近两侧的钻孔与3205胶运顺槽、3207辅运巷间隔均为20m,钻孔布置情况如图2所示用钻孔压裂深度为15～45m,按照2~上#在钻孔水力压裂期间邻近的钻孔常有水流出，表明水力压裂钻孔产生的裂隙与邻近钻孔联通，钻孔间距布置较为合理用②切眼顶板二次压裂切眼顶板二次压裂钻孔布置参数为：钻孔均垂直切眼走向布置，在顶板距离切眼工作面帮200～300mm位置，布置的钻孔孔径为65mm,孔深为45m,钻孔与3#煤层顶板夹角为30°,钻孔间隔为20m,靠近两侧的钻孔与3205胶运巷、3207辅运巷间隔均为30m用钻孔压裂深度为15~45m,按照2～3m间隔压裂一次，单次压裂保压时间控制在30min以上用在钻孔水力压裂期间邻近的钻孔常有水流出，表明水力压裂钻孔产生的裂隙与邻近钻孔联通，钻孔间距布置合理用2.2.2辅运巷顶板水力压裂3207辅运巷顶板水力压裂钻孔布置情况如图3所示，水力压裂钻孔由垂直辅运巷的A类钻孔、斜交辅运巷的B类钻孔，钻孔布置参数为：①在辅运巷顶板靠近煤柱帮200～300mm位置布置A类钻孔，钻孔布置间隔为10m,孔径65mm、孔深40m,钻孔与顺槽走向夹角为50°、钻孔仰角为75°,该水力压裂钻孔起到阻断采空区与煤柱间应力传递路径作用；②在辅运巷顶板靠钻孔仰角为50°,该水力压裂钻孔起到弱化工作面顶板、实现及时垮落作用；③辅运巷顶板水力压裂钻孔有效封孔长度均控制在10m以上，按照2～3m间隔压裂一次，单次压裂保压时间控制在30min以上用B作面胶巷推进方向煤柱3207工作面压裂钻孔A压裂钻孔B3207H作面运巷3207工作面胶拖(a)俯视图压裂钻孔A压裂钻孔A(c)B-B剖面图图3水力压裂切顶卸压钻孔布置图2.3顶板水力压裂工艺3207工作面切眼顶板在液压支架安装前完成压裂辅运巷顶板在超前工作面50m以外完成压裂现场顶板水力压裂工艺如图4所示顶板钻孔钻进完成后孔内采用后退式进行水力压裂(即从孔底向孔口方向压裂)开每隔2～3m压裂一次用为维护压裂区域内切眼、辅运巷顶板稳定在锚索支护区域不压裂开必要时可采用单体、工字钢进行补强支护泵泵(b)高压注水工艺图4水力压裂工艺示意图现场顶板水力压裂时首先采用封隔器进行封孔,开封隔器内注入水压应控制在10MPa以上中随后采用高压泵注水进行水力压裂单次压裂保压时间应在30min以上用若在压裂期间顶板、巷帮有大面积出水开则立即卸压排水并进行本钻孔下一段压裂用3工程应用效果分析对3207工作面切眼、辅运巷顶板水力压裂后钻孔进行窥视用以便掌握顶板压裂效果用钻孔窥视成果如图5所示用从图中看出顶板水力压裂后钻孔孔壁上发育有平行钻孔轴向垂向裂隙、垂直钻孔轴向的环形裂隙裂隙在延伸方向连续扩展长度为2～5m水力压裂区域裂隙扩展可降低顶板完整性起到较好坚硬顶板弱化效果邻近的3205工作面未对顶板进行压裂开初采期间初采来压步距为38m、端头最大悬空长度为40m用3207工作面在顶板水力压裂区域内回采时开由于压裂后顶板完整性及强度降低开工作面回采期间初次来压步距降至28m、端头悬空长度一般在12m以内水力压裂后顶板可及时垮落充填采空区开从而降低采空区悬空面积大、漏风及瓦斯涌出等影响为坚硬顶板工作面煤炭高效回采创造条件用(a)切眼顶板(b)辅运巷顶板图5钻孔窥视结果4结语针对矿井回采的3#煤层顶板坚硬、难以垮落问题开以3207工作面为研究对象开提出以水力压裂控顶技术对顶板进行处理主要取得如下成果：①结合3207工作面回采区域3#煤层顶板岩层分布情况提出在切眼、辅运巷内分别布置水力压裂钻孔顶板综合采用初