综放工作面水力预裂初次放顶实践研究

[摘 要]综采工作面初采期间，为防止初次来压导致顶板大面积垮落产生飓风，造成人员伤亡和设备损失，一般在回采开始前进行顶板预裂爆破，从而破坏顶板的完整性，使顶板正常垮落，保证工作面初采期间的顶板安全，目前，除了传统的深孔预裂爆破的方法进行强制放顶，在部分矿区还使用了水力压裂初次放顶技术，本文对神东某综放工作面在初采期间采用水力预裂放顶进行研究，为类似条件的初放工作提供了一定经验。

[关键词]初采 水力 压裂 放顶 矿压 来压 步距

中图分类号：D987 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）17-0131-01

1、引言

水力压裂初次放顶技术是在工作面设备安装前对煤壁前方顶板进行水力预裂，在顶板岩层中形成多条裂缝，从而破坏顶板的完整性和整体强度，保证回采时顶板及时垮落。[1]水力压裂初次放顶技术的原理是在利用钻机在顶板岩层施工钻孔，并用特制的开槽钻头在压裂段横向切槽，然后对切槽段封孔并注入高压水进行压裂，从而破坏顶板岩层的完整性，削弱顶板岩层的强度和整体性。可以有效弱化工作面顶板岩层，减小初次来压步距和来压强度，有效避免工作面初采期间顶板大面积来压，保证工作面初采期间安全。

2、工作面情况

神东公司布尔台煤矿42201-1综放工作面，布置在42煤二盘区，工作面按煤层倾斜方向布置，工作面倾向长度319.6m，走向长度3014.3m，工作面煤层平均煤厚度5.7m，倾角1-4°，工作面沿煤层走向推进，沿煤层底板回采，采煤机割煤高度为3.6m，放顶煤高度为2.1m。采用走向长壁后退式综合机械化放顶煤采煤方法开采，全部垮落法管理顶板。工作面老顶为粉砂岩，厚度5-24m，平均厚度14m，直接顶为砂质泥岩，厚5-15m，平均厚度9m，直接底为砂质泥岩，厚3-7m，平均厚度5m。液压支架选用郑煤机生产的ZFY18000/25/39D双柱掩护式放顶煤液压支架158台。其中中部支架147台，机头端头组合支架1台、排头4台、过渡1台，机尾排头支架5台、过渡支架1台。

3、水力压裂放顶

为解决初采过程中顶板控制问题，在工作面安装之前，在工作面切眼及顺槽正帮实施水力压裂初次放顶技术，以便弱化工作面前方顶板岩层。工作面安装前做好钻孔施工，对设计的L类钻孔和S类钻孔进行压裂作业，每个钻孔从距孔口最远位置开始压裂，每2m压裂一次，每次压裂不少于30min，为保证直接顶为完整岩层，利于回采过程的顶板管理，煤层上方2m范围内岩层不进行压裂。通过对两类钻孔进行压裂作业，保证切眼开始回采后两端头顶板能够及时垮落。[2]

具体施工参数：

1、沿切眼正帮及顺槽正帮垂直布置S类压裂钻孔，共26个，钻孔长度39m，倾角50°；

2、沿切眼正帮垂直布置L类压裂钻孔，共16个，钻孔长度40m，倾角25°；

3、钻孔进尺总计=26个×39m/个+16个×40m/个=1654m；

4、压裂顺序：施工和压裂切眼L孔----施工压裂切眼S孔----施工顺槽S孔；

5、压裂层位：采用单孔多次压裂工艺，L孔距孔口10m不压裂，S孔距空口7m不压裂，L孔压裂次数为10次，S孔的压裂次数为11次；

6、压裂过程中压力视现场情况调整。

4、工作面放顶效果

现场观察发现：工作面机头推进至21.2m、机尾推进至28.6m处时，中部20-155#支架直接顶垮落；工作面机头推进至28.8m、机尾推进至34.0m工作面中部顶板全部垮落，工作面40-70#支架处人员感觉有飓风从采空区吹出；工作面继续推进，45-130#支架压力增阻明显，压力集中在440-500bar范围内，平均约480bar，降架过程中支架安全阀开启，呈射水状喷射；工作面机头推进至53.1m、机尾推进至59.2m处老顶来压，52-85#、95-125#支架前梁处漏顶，漏顶高度约2.5m左右，大量矸石进入运输机；工作面机头推进至60.3m、机尾推进至66.4m时，两顺槽垮落，垮落至机头正帮侧组合支架后立柱处，导致后立柱采高较低。

通过对支架立柱上安装压力传感器记录数据，以及每班对矿压显现现象进行记录，得出工作面在初采期间并没有发现大面积的切顶、漏矸、片帮、以及支架立柱大量下沉等现象，说明水力压裂初次放顶技术起到了作用，有效的防范了初采期间顶板的大面积垮落，保证了来压期间的顶板安全。

5、结论

水力压裂初次放顶技术是一项安全绿色的初次放顶技术，且初次来压步距与深孔爆破强制放顶相比较明显减小。采用水力压裂可以有效保证综采工作面初次放顶，解决初采期间大面积悬顶一次性垮落形成飓风和冲击的问题，有效的保证了人员和设备安全。

此外，该技术相比传统的深孔预裂爆破具有以下优点：一是减少了炸药雷管等火工品的使用和运输，有效的提高了安全性；二是杜绝了爆破产生的大量有毒有害气体、哑炮瞎跑，更加绿色环保；三是水力压裂比大量火工品使用更加经济合理。

参考文献

[1] 冯彦军，康红普.定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板实验[J].岩石力学与工程学报，2012

[2] 刘会利，冯彦军.锦界煤矿综采工作面水力压裂初次放顶矿压显现规律[J].煤炭工程，2017

作者简介

姓名：李斌，性别：男，年龄：38，民族：汉，毕业院校：辽宁工程技术大学，专业：矿物资源工程，单位：中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，职务：项目总设计师，职称：工程。