摘要：为解决4101工作面厚层坚硬顶板条件下采空区悬顶现象突出、工作面矿压显现强烈的技术难题，根据工作面具体地质生产条件及强矿压显现现状，在分析水力压裂技术原理及具体工艺的基础上，设计了4101工作面水力压裂顶板弱化方案及具体的施工工艺流程，在工作面1 075～2 072 m共计约1 000 m的推采范围实施了水力压裂施工。矿压观测数据表明，实施水力压裂后工作面的周期来压步距、最大工作阻力、动载系数等矿压指数均得到显著降低，工作面来压强度整体降幅明显，实现了预期研究目标。

　　关键词：坚硬顶板；强矿压显现；水力压裂；矿压观测；工艺流程

　　0引言

　　在煤矿开采中，坚硬顶板是一个需要特别关注的问题。由于其自身有厚度大、强度高、整体性强、节理裂隙不发育以及自承能力强等物理特性，在工作面推进过程中不易垮落，给煤矿的安全生产带来严重威胁。这些特性使得坚硬顶板在工作面推进时容易大面积悬露在采空区，而不易自然垮落。一旦垮落，由于其面积大、重量重，往往伴随强烈的动载现象，这可能导致工作面及巷道支护设备的损坏，瓦斯浓度超限，甚至造成人员伤亡。应用比较成熟的弱化顶板的方法主要有步距式深孔放顶、循环浅孔放顶、端头强制切顶、超前深孔预爆破等，这些方法均基于爆破工艺，应用非常广泛，但存在爆破作业受限大、安全系数低等因素影响。而水力压裂技术由于其适应条件广、安全系数高、弱化效果好等因素得到了更为普遍的应用[1-4]。本文针对某矿4101工作面坚硬顶板难垮落的现状，基于其特定的地质条件及矿压显现特征，制定水力压裂顶板弱化方案，并进行工业性试验，从而实现矿井安全高效开采。

　　1 4101工作面概况

　　4101工作面主采的是4#煤层，其平均厚度达11.6 m，倾角为5.5°,埋深在500～600 m之间。该工作面的设计走向长度为2 100 m，倾向长度为180 m。在开采过程中，采用综采放顶煤工艺以及走向长壁后退式采煤法，同时运用全部垮落法来管理顶板。地质资料显示，工作面直接顶为平均厚度3.5 m的砂质泥岩，老顶为平均厚度8 m的细粒砂岩，再上层为平均厚度10 m的粗粒砂岩。对煤层及顶板岩性指标进行测试，煤体单轴抗压强度达到20 MPa以上，顶板岩体单轴抗压强度达到28 MPa以上，抗拉强度达到2.5 MPa，具有冲击倾向性。

　　在工作面初采的45 d里，实施了采场矿压观测。结果显示，工作面呈现出典型的强矿压显现特征。初次来压步距平均超40 m，持续来压距离平均5.2 m，最大工作阻力达38 MPa，动载系数为1.76。前5次周期来压步距平均25.6 m，持续来压距离平均3.3 m，最大工作阻力平均35 MPa，动载系数1.54。数据表明，工作面回采后采空区悬顶严重，呈现较为典型的强矿压显现特征，必须采取有效措施对顶板进行弱化处理。

　　2水力压裂技术原理及适用性分析

　　2.1水力压裂技术原理分析

　　水力压裂是一种利用内部液体压力使裂缝开裂并扩展的过程，也被称为水压致裂或水力劈裂。定向水力压裂技术工艺则是在顶板岩层钻孔预制横向切槽，以控制水力压裂裂缝的扩展方向。接着，使用小孔径跨式膨胀型封孔器对横向切槽段进行封孔处理。最后，向该封孔段注入高压水实施压裂，使水力裂缝在顶板岩层中大范围扩展。通过多次压裂作业，可显著削弱顶板的强度和整体性，使采空区顶板能够分层分次垮落，从而缩短初次来压和周期来压步距，达到减小或消除悬顶对工作面回采危害的目的。

　　2.2水力压裂工艺简介

　　工作面压裂钻孔通常布置在工作面切眼和顺槽。顺槽压裂钻孔的布置有单侧和双侧两种方式，当工作面宽度大于150 m时，通常采用双侧布置形式，当工作面宽度小于150 m时，通常采用单侧布置。钻孔的布置形式需依据工作面的宽度及钻机能力来确定。双侧压裂时，顶板弱化均匀，工作面中部钻孔位置较高，符合一般中部垮高大的规律，且封隔器推进距离短，易施工。单侧布置钻孔要求只在一条顺槽钻孔即可，减少了工作量以及对生产带来的影响。但是钻孔比较长，对钻机要求高，对孔的直度提出更高的要求，孔的弯曲会使封孔器推进困难，增加施工难度。此外，根据坚硬顶板的厚薄、层位的不同，钻孔布置还可采用多层布置。钻孔长度、仰角根据岩层厚度、强度、地应力场和采高确定，钻孔倾角一般为40。～75。。工作面压裂钻孔需要向工作面推进方向施工钻孔，钻孔参数根据顶板岩层厚度和强度、地应力场和采高确定[5-8]。

　　3水力压裂方案设计及应用

　　3.1水力压裂顶板弱化方案设计

　　根据工作面地质生产条件，结合矿井其他工作面水力压裂设计及施工经验，设计制定4101工作面水力压裂顶板弱化方案，如图1所示。具体为：一是在工作面推进至1 075 m时开始在回风巷副帮煤壁施工钻孔，即向工作面外侧施工钻孔，共设计101个钻孔，钻孔间距10 m，孔径为Φ50 mm，施工至工作面2 072 m处停止。其中A1-A65钻孔倾角为45。，孔深为40 m，A66-A101钻孔倾角为70。，孔深为45 m。二是在工作面推进至1 666 m时开始在回风巷正帮煤壁施工钻孔，即向工作面内侧施工钻孔，共设计50个钻孔，钻孔间距10 m，孔径为Φ50 mm，施工至工作面2 072 m处停止。其中B1-B12钻孔倾角为45。，孔深为40 m，C1-C38钻孔倾角为70。，孔深为45 m。施工过程中，各钻孔长度根据目标层位及实际情况进行调整，误差不得超过10%，注水压力设计为25～30 MPa，最小不得低于10 MPa。

　　3.2水力压裂施工及控制效果分析

　　按照设计方案及图2所示的水力压裂工艺流程实施钻孔施工及注水施工，水箱：储存用于压裂的水源，通常需要大量的水来携带支撑剂（如砂或陶粒）进入裂缝。高压泵：提供足够的压力将水和其他添加剂注入地下，以形成裂缝。注水管：连接高压泵和钻孔，用于输送高压水装置。连接器：确保各个部件之间的密封连接，防止泄漏。封孔器：在钻孔完成后，用来封闭井口，防止液体和气体的逸出。压力表：监测系统内的压力，确保操作在安全范围内。钻孔：首先进行的是钻孔作业，这是整个压裂过程的基础。封孔：钻孔完成后，需要对井口进行封闭，以确保后续的高压注水不会从井口泄露。高压注水：启动高压泵，将水和支撑剂注入地下，开始时水压逐步增大至30 MPa，这个压力足以打开岩石并形成裂缝。保压注水：当达到所需的裂缝扩展后，将水压稳定在24 MPa进行常规性注水，这个压力用于维持裂缝的开启状态，并允许支撑剂进入裂缝，以防止裂缝闭合。在整个过程中，需要精确控制压力和流量，以及监测裂缝的形成和发展情况。此外，为了减少对环境的影响，现代的水力压裂技术通常会使用清洁的水资源，并采取措施减少用水量和废水的产生。常规注水时间一般不得少于120 min，单孔注水量不得低于10 m3，遇注水压力波动较大或钻孔周边短时间出现大量溢水现象时，必须立即查明原因并进行处置，必要情况下需要重新施工钻孔进行注水作业。

　　依照此方案，对工作面1 075～2 072 m共计约1 000 m的推采范围实施水力压裂施工，并持续进行矿压观测，对相关矿压指标进行对比分析。矿压观测数据表明，对顶板实施水力压裂后，肉眼看见采空区的悬顶现象得到控制，矿压显现及应力冲击显著减弱。周期来压步距：水力压裂后，周期来压的步距平均值从原来的数值降低到了21.8 m，降幅达到了14.8%。这表明水力压裂有效地改变了顶板的力学性质，使得顶板的断裂模式发生了变化，导致周期来压的步距减小。这有助于减少工作面的压力集中，降低矿压显现的强度。最大工作阻力：最大工作阻力平均值降低到了31.2 MPa，降幅为10.9%。这意味着在水力压裂后，工作面所承受的最大压力减小了，这对于提高工作面的支护效果和安全性是有益的。较小的工作阻力可以减轻液压支架的负担，延长其使用寿命。最大动载系数：最大动载系数平均值降低到了1.37，降幅为11%。动载系数的降低表明在水力压裂后，工作面受到的冲击性载荷减小了。这有助于减少设备的振动和磨损，提高工作环境的稳定性。综上所述，对顶板实施水力压裂后，工作面来压强度整体降幅明显。这些改善有助于提高煤矿开采的安全性和效率，同时也有助于保护设备，延长其使用寿命。达到了预期目标。

　　4结论

　　水力压裂卸压技术涉及压裂原理、参数设计、机具与施工工艺及压裂效果检测等多个方面，最重要的是必须充分契合采场的工程现状、岩体结构、应力环境等地质力学条件。本文结合理论分析、原理工艺探讨、矿压观测，并结合矿井原有注水压裂经验，综合设计了4101工作面水力压裂顶板弱化方案，经工业性试验验证，取得了较好的压裂效果。此技术在该矿已取得了良好的技术与经济效益，为处理坚硬顶板大面积悬顶提供了有效的方法，具有一定推广应用的价值。

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