水力压裂技术在布尔台煤矿顶板控制中的研究及应用

发布时间：2019-02-11 15:56所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次

下面文章以神东矿区布尔台煤矿42106综放工作面为工程背景，提出高压水力致裂控制顶板技术，有针对性地设计了具体的实施方案并应用于工程实际。通过理论分析、现场观测和数据对比等研究方法，得出水力致裂技术可有效弱化顶板难垮落岩层，减小垮落步距，抑制巷

　　下面文章以神东矿区布尔台煤矿42106综放工作面为工程背景，提出高压水力致裂控制顶板技术，有针对性地设计了具体的实施方案并应用于工程实际。通过理论分析、现场观测和数据对比等研究方法，得出水力致裂技术可有效弱化顶板难垮落岩层，减小垮落步距，抑制巷道变形，防止顶板冲击压力的产生，保证了工作面的安全高效生产。

　　关键词：水力压裂技术,顶板控制,煤矿

　　在我国煤矿开采作业过程中，采煤工作面通常采用全部垮落法进行采空区顶板管理。全部垮落法顶板控制的优点是：顶板岩石随采随冒，工作面附近应力及时释放，由于冒落岩石的碎涨性，能及时支撑上覆岩层结构，保障了工作面作业的安全性。然而，由于覆岩结构及岩性的差异，国内一些煤矿采空区顶板无法实现随采随冒，如顶板岩石强度较大、老顶厚度较厚、采动影响下节理裂隙不发育和整体性强等岩性因素，造成工作面采空区顶板大面积悬露，短时间内无法垮落填充采空区[1，2]。

　　随着工作面的持续推进，顶板悬露达到一定距离或面积时大规模垮落，对工作面形成强烈的冲击压力，危及工作面作业人员、设备及上下巷支护设施的安全，严重影响煤矿的安全生产。为此，针对这类厚度大、强度高和难垮落顶板，开展采空区顶板控制技术的研究具有重要的实际意义。

　　1工程概况

　　神东矿区的布尔台煤矿是一座年产千万吨的特大现代化矿井。目前开采的42煤层埋深较大，42106综放工作面平均埋深440m，工作面倾向长度309m，走向长度5073m。在开采过程中，根据地质资料可知，工作面直接顶为砂质泥岩，厚度为5～25m，老顶为细砂岩，厚度为6～39m，顶底板柱钻孔综合状图见图1所示。工作面初次来压步距为40m左右，工作面来压期间支架平均载荷456.3bar，最大压力520bar;工作面周期来压步距为16.8m左右，来压期间支架平均载荷397bar，最大压力508bar。

　　由于老顶厚度较大，结构比较完整，不易断裂，随采动冒落的直接顶砂质泥岩不能完全充填采空区，造成冲击压力严重，42106回风顺槽矿压显现强烈，底板和两帮鼓起严重，部分锚杆锚索失效，顶板下沉明显，给工作面的安全生产造成严重威胁。为有效防止顶板事故的发生，矿方引进水力压裂技术来弱化顶板，以期实现工作面的安全高效生产。

　　2水力压裂顶板控制技术研究

　　2.1水力压裂技术原理

　　水力压裂顶板控制主要是通过在坚硬岩层中布置钻孔，高压水通过预先作业的钻孔注入岩体内部，在高压作用下，坚硬岩层中的裂隙会被扩张、岩石强度被弱化，进而产生更多的裂隙，原有坚硬岩层的完整性遭到破坏，使顶板能随着工作面的推进及时垮落，减小顶板来压强度，防止顶板大面积垮落造成的冲击压力。达到顶板垮落的安全及有效控制，保障作业人员及设备的安全。

　　2.2水力压裂技术方案设计

　　为了削减侧向支承压力及超前支承压力对回风顺槽、工作面的影响，卸载顶板内储存的高应力弹性能，设计在工作面回风顺槽内向上覆岩层实施水力压裂钻孔，目的是压裂基本顶岩层，关键是设计合理的钻孔位置和范围，有效实施超前水力预裂，预先释放老顶中积聚的弹性能。方案设计如下。

　　在42106回风顺槽320～1110m段进行高压水预裂施工。压裂钻孔布置分为2类：一类是在垂直顺槽轴向方向布置压裂钻孔S;另一类是沿顺槽轴向方向布置压裂钻孔L，与轴向夹角10°布置。两类钻孔的开孔位置均相距15m，钻孔深度为40.5m，每次压裂时间为30min。正帮侧钻孔-S，钻孔长度40.5m，倾角50°。

　　3水压致裂现场应用及效果分析

　　将上述设计方案应用于42106综放工作面回风顺槽，超前工作面实施水压致裂，当工作面推进至320m时，顶板进入水预裂区域。根据现场观测。可以看出，经过高压水预裂的区域顶底板移近量及两帮移近量明显减小，未采取水压致裂时巷高最小达2.3m，巷宽最小为3.5m，而回风顺槽设计净高3.6m，净宽6m。

　　可见，实施水力压裂后明显抑制了巷道的变形，从数据上看改善了近一倍;从现场来看，42106回风顺槽来压较未预裂前频繁了，来压步距有所减小，来压强度也相应减弱，未出现特别剧烈来压现象。压裂后，机尾及回顺顶板可及时垮落，避免大面积悬顶的形成，从根本上削弱了强烈矿压形成的条件。水力压裂有效削弱了顶板岩层中赋存的高应力，释放了存储在顶板岩层中的弹性能，避免能量突然释放引起围岩剧烈变形，压裂范围内顶板的岩爆声也大幅降低。

　　4结语

　　通过对42106工作面回风顺槽上覆岩层实施高压水力压裂技术，对比未实施水力压裂技术的现场数据，得出如下结论。

　　①通过顶底板位移量及两帮位移量的持续观测，实施水力压裂后，巷道顶底板及两帮移近量改善了一倍，有效保障了巷道的围岩状况及巷道使用功能。

　　②通过对顶板悬露岩层的测量，实施水力压裂后，顶板悬露面积不超过200m2，未实施水力致裂悬露面积大于1600m2。比较可知，高压水压预裂能有效软化顶板，减小老顶悬露面积，防止冲击压力的产生。

　　③通过现场应用可以看出，实施水力致裂从根本上解决了顶板岩层内部高应力的突然释放，改变了顶板岩层结构和岩石力学性能，从根本上实现了弱化顶板岩层、削弱岩层中的高应力，保证了工作面安全高效生产。

　　本文通过对水力致裂顶板控制进行研究和应用，可以为同类顶板的矿井安全生产提供技术参考和经验，具有较大的推广意义。

　　参考文献：

　　[1]安佰健.综采工作面顶板管理中水压致裂技术的运用[J].内蒙古煤炭经济，2017(17)：135-137.

　　[2]黄炳香，赵兴龙，陈树亮，等.坚硬顶板水压致裂控制理论与成套技术[J].岩石力学与工程学报，2017(12)：2954-2970.

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