杨洪增1,2,3,4
（1.河北煤炭科学研究院有限公司，河北 邢台 054000；
2.国家能源充填采煤技术重点实验室，河北 邢台 054000；
3.河北充填采矿技术有限公司，河北 邢台 054000；
4.河北省充填采煤技术创新中心，河北 邢台 054000）
在煤炭开采中，煤层上方如果发育有坚硬稳定、整体性强、承载能力大的岩层，在工作面推进过程中难以垮落，形成大面积悬顶，一旦垮落，则会出现严重的矿压显现，危及人员和设备安全。据统计，在我国，具有坚硬难垮落顶板的煤层占比为30%以上，随着综合机械化开采技术的推广应用，越来越多的工作面出现了顶板垮落不及时的现象[1-5]。因此开展坚硬顶板且切顶卸压技术研究，对实现煤矿安全生产具有重要意义。
1.1 地质生产条件
冀中股份邢东矿2129工作面所采煤层为2号煤，煤层厚度3.8～4.1 m，平均3.95 m，煤层平均倾角11°，工作面顶底板岩性及厚度如图1所示。
图1 2号煤顶底板岩性Fig.1 Roof and floor lithology of No.2 Coal Seam
2129工作面开采2123、2124、2125、2126工作面与轨道下山之间的保护煤柱，工作面走向长度93 m，倾斜长度381 m，采用综合机械化一次采全高的开采方式。
1.2 存在的问题
2129工作面回采过程中，直接顶垮落较为及时，但基本顶相对比较坚硬，垮落步距长，悬顶面积大。垮落时，造成矿压显现剧烈，影响了工作面的正常回采。为保证安全生产，采用水力压裂技术对基本顶进行切顶卸压。
2.1 切顶卸压方式的确定
当前常用的切顶卸压方式主要有钻孔爆破切顶、高压预注水软化和水力压裂切顶等方式[6-8]，不同方式的对比见表1。
表1 不同切顶方式的对比Table 1 Comparison of different top cutting methods
根据邢东矿2129工作面的实际情况，直接顶和基本顶厚度相对较小，与石灰岩相比，强度较低，为此，选用水力压裂切顶的方式。
2.2 水力压裂切顶机理
煤层坚硬顶板在液体压力和地应力的共同作用下，岩体内部原生裂隙和层理裂隙逐渐扩展并贯通。同时，水在高压的作用下，形成水力裂缝，所有裂隙和裂缝的扩展形态及大小决定了水力压裂的效果[9-11]。
将岩体简化为均质、连续的脆性材料，采用固体力学、弹塑性力学、流体力学等理论分析不同参数下裂隙的扩展和起裂规律，建立图2的裂隙扩展模型。
图2 裂缝扩展示意Fig.2 Schematic diagram of crack propagation
根据断裂力学理论，随着压裂液体压力和流量的增大，水力裂缝和原生裂隙的宽度逐渐增大，当次生裂缝和原生裂隙的逼近角α为30°时，原生裂隙极易受到水力裂缝的影响。如果逼近角小，则原生裂隙的受力状态会发生较大变化，容易发生失稳。在逼近角足够小的情况下，水力裂缝极易与原生裂隙组合到一起，在岩体中形成弱面，弱面不断扩大，不同的弱面组合到一起，在岩体内形成弱面网络结构，破坏了岩体的完整性，从而促进顶板的垮落，减少垮落步距。
2.3 水力压裂设计
2.3.1 注水压力的确定
水力压裂切顶卸压的注水压力一般按目标岩体的单轴抗拉强度计算，公式如下：
式中：P为注水压力，MPa；
k为安全系数，一般取1.2～1.4，在此取1.3；
Pz为岩体内应力，与煤层赋存条件有关；
R为目标层位的单轴抗拉强度，MPa。
根据邢东矿2129工作面的地质条件，代入计算可得，注水压力不得小于15 MPa。
2.3.2 切顶高度的确定
巷道切顶后，垮落的岩层应能充满采空区，按公式（2）计算：
式中：H为切顶高度，m；
M为煤层采高，m；
H1为采后直接顶板下沉量，m；
H2为采后采空区底板鼓起量，m；
K为目标岩层的碎胀系数。
代入计算可得，2129工作面的切顶高度不应低于20 m。
2.3.3 钻孔布置
根据邢东矿的实际情况，设计采用3种不同的切顶钻孔，如图3所示。
图3 水力压裂钻孔布置（单位：m）Fig.3 Borehole layout of hydraulic fracturing(unit:m)
Ⅰ类钻孔在2129工作面运输巷和运料巷内向工作面前方施工，钻孔角度为向顶板方向倾斜30°，钻孔深度为50 m。Ⅱ类钻孔在两巷内向非回采帮施工，角度为向上倾斜40°，深度为43 m。Ⅱ类钻孔与巷道夹角为10°，钻孔交替布置，钻孔间距为20 m。
3.1 主要设备
水力压裂的设备主要包括地质钻机、柱塞泵、封孔器以及相应的高压胶管等，设备布置如图4所示。
图4 水力压裂主要设备布置Fig.4 Main equipment layout of hydraulic fracturing
3.2 主要工艺
水力压裂的流程主要包括钻孔施工、封孔、注水、保压以及观测等工序。
（1）钻孔施工并开槽。
利用地质钻在巷道内指定位置施工水力压裂钻孔，每个钻孔施工完成后，利用窥视设备对钻孔进行检查。在孔壁完整未塌孔的情况下，利用切槽钻孔开槽。钻孔施工可超前压裂钻孔2个，也可平行作业。
（2）封孔。
钻孔施工并开槽后，调试压裂仪器设备，利用注水钢管将封孔器推入压裂钻孔中，利用手动泵进行加压，加压过程中随时观测钻孔及压力变化，如果压力稳定，则证明封孔良好，可进行下一步工作，如果有水流出并且压力下降明显，则证明封孔有问题，需及时检查处理。
（3）高压泵加压压裂。
封孔完成后，连接高压泵开始进行水力压裂。为保证安全，压裂钻孔前后20 m范围内设置警戒线，严禁无关人员通行。操作人员远距离操作。
压裂开始时，高压泵先通水后通电，逐渐加大压力。每个钻孔采用后退式压裂方式，间隔为2～3 m。在距离孔口一定距离时停止压裂。
（4）压裂监测。
在压裂过程中，随时关注高压锅和手动泵的压力变化及顶板情况，如果压力骤降或者顶板出现响动、锚杆索钻孔出现大面积淋水等现象时停止加压，利用封孔器卸压，利用孔窥视仪观察压裂效果并及时记录。
3.3 应用效果
3.3.1 支架工作阻力和来压步距
根据支架工作阻力判断工作面来压情况，在推进前50 m的过程中，2129工作面仅来压一次，为初次来压，未观测到周期来压，并且初次来压期间，由支架工作阻力监测可知，动载系数为1.86。在采用水力压裂切顶后，在60 m的推进距离内监测到3个周期来压，平均步距为20 m，且平均动载系数仅为1.52。
3.3.2 工作面煤壁片帮统计
未切顶前，工作面回采过程中多次发生片帮情况，最大片帮长度为1.5 m，最大片帮深度为0.6 m。水力压裂切顶后，工作面片帮状况明显好转，未观测到片帮尺寸大于0.4 m的片帮。
3.3.3 巷道变形统计
工作面初期回采过程中，由于回收的是大巷保护煤柱，经历了多次回采的影响，因此巷道变形严重，尤其是底板下沉和底臌，变化量较大，对生产造成了影响。采用水力压裂切顶后，巷道变形明显减小，底板下沉和底臌量有大幅减小，对生产无影响。
（1）与钻孔爆破和注水软化等切顶方式相比，水力压裂成本低，可靠性高，是邢东矿2129工作面顶板理想的切顶方式。
（2）高压注水使得水力裂缝与原生裂隙组合到一起，在岩体内形成弱面网络结构，破坏了岩体的完整性，从而促进顶板的垮落，减少垮落步距。
（3）水力压裂切顶后，2129工作面来压步距和来压强度均明显减小，巷道顶板下沉和底臌量大幅度下降，煤壁片帮明显好转，取得了较好的卸压效果。
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