0 引 言
在煤矿开采中，通常采用全部垮落法管理工作面采空区顶板，我国大部分煤矿采空区顶板无法随工作面推进及时垮落，如岩石强度高、节理裂隙不发育、厚度大、整体性强、自承能力强等顶板岩层，煤层开采后大面积悬露在采空区，短期内不垮落。一旦垮落，一次垮落的面积和高度大，有强烈的来压现象。并且，此类顶板的初次来压步距往往较大，可达40～70 m，甚至上百米，来压时有明显的动力现象，常常造成支护设备损坏，危及人身安全等恶性事故[1-8]。
针对此类难垮顶板，我国从20世纪50年代起开始研究其控制技术，形成了难垮顶板控制理论和工艺方法。目前我国难垮顶板的控制基本是以爆破为主，注水软化为辅的方法，然而该方法仍存在一定的不足之处[9-10]。如工程量和炸药量大、安全性差、成本高、污染井下空气；干扰回采工序，影响回采进度；放顶效果难以人为控制，易引起工作面控顶管理困难；当胶结物为碳酸盐类矿物岩层或煤层上有一定厚度的松软直接顶和伪顶时，注水软化效果不明显；在高瓦斯矿井或煤层中应用爆破法控顶时，需采取防止瓦斯或煤尘爆炸的措施；对于浅埋深情形，爆破控顶易对地面及周边环境的安全构成一定威胁。水力压裂初始作为有效的油气井增产措施，已在国内外得到广泛应用和认可。水力压裂技术在我国发展逐渐成熟，许多学者研究并且完善此项技术[11-16]。水力压裂作为经济有效的坚硬难垮顶板控制技术已在国内外推广应用，并可弥补上述技术的不足之处。文献[16-18]进行了水力压裂起裂与扩展分析及定向水力压裂工作面煤体应力监测及其演化规律等研究，并在晋城矿区进行了现场应用，取得了良好的效果。吴建星[19]在理论上分析了工作面基本顶初次垮顶步距影响因素，并在漳村煤矿2306工作面采用水力压裂技术进行初采预裂现场试验并取得较好应用效果。孟秀峰等[20]通过现场试验研究水力压裂弱化煤层上覆坚硬基本顶控制技术，分析了水力压裂弱化坚硬基本顶的特点。
基于此，笔者将水力压裂技术应用于解决基本顶在初次垮落步距大的问题，以期降低工作面矿山压力，实现安全高效回采作业。
1 1307工作面顶板水力压裂试验
1.1 1307工作面概况
1307工作面开切眼位于1307工作面最南端，其北面为1307工作面，南面为西沙建筑楼房保护煤柱，开掘四周为实煤区，无采空区。煤层底板标高+820.3 m，东高西底，煤层埋深340.8～357.05 m。开切眼设计长300 m，宽8 m，开切眼内设计有1号和2号调车硐室，倒车硐室长12 m，宽5 m，开切眼及调车硐室总长324 m。根据1307工作面回风巷煤层揭露及钻孔ZK303、ZK305资料分析，煤层平均厚度3.3 m。煤层整体稳定，结构简单无夹矸。
3号煤为黑色半光亮型煤，条痕褐黑色，沥青或玻璃光泽，阶梯状、参差状断口，硬度中等，性较脆，内外生裂隙均较发育。煤层顶板岩性：直接顶灰色中厚层状泥岩、水平层理，饱水抗压强度为1.30～19.50 MPa，属极软岩至较软岩层。与下伏煤层明显接触。厚1.98～7.20 m。基本顶为灰白色块状粗粒长石砂岩厚12.79 m。饱水抗压强度10.5～97.9 MPa，平均为47.5 MPa，属坚硬岩层。顶板总体上以难冒落顶板为主，中等冒落顶板次之。煤层底板主要为灰白色中粒长石砂岩，厚4.36 m，强度较高，饱水抗压强度为36.3～45.2 MPa，为较坚硬岩层，底板稳定性好。煤岩顶板岩层特点见表1。
表1 顶底板岩性
Table 1 Lithology of roof and floor rock masses
名称岩性抗压强度/MPa普氏系数厚度/m基本顶灰白色块状粗粒长石砂岩10.5～97.9 1.05～9.7912.79直接顶伪顶中厚层状泥岩较薄层状泥岩1.30～19.50.13～1.951.98～7.200.10～0.40直接底基本底灰白色块状粗粒长石砂岩浅灰色中厚层状细粒长石砂岩36.3～45.23.63～4.524.368.13
1.2 1307工作面水利压裂设计原则
水力压裂技术可有效控制工作面顶板初次垮落，最大程度削弱顶板的整体性，使得工作面顶板呈分层及时垮落。水力压裂技术有效控制顶板的同时，避免给工作面的正常回采带来影响，避免由于过度压裂和软化导致工作面顶板维护困难，避免由于水力压裂给顶板管理带来困难，避免其他可能的灾害。
1.3 1307工作面水力压裂钻孔布置
由于1307工作面基本顶厚度较大，整体性强、稳定性好，初次垮落需要采取强制措施。根据1307工作面地质情况以及水力压裂理论分析结果，对1307工作面难垮顶板水力压裂初次放顶进行设计。在开切眼和巷道分别布置压裂钻孔L和压裂钻孔S，在巷道分别布置2个A孔，布置如图1a所示。钻孔进尺总计：726 m(22个S孔)+595 m(17个L孔)+188 m(4个A孔)=1 509 m。钻孔参数：压裂钻孔L，钻孔长度35 m，倾角为25°，如图1b所示；压裂钻孔S，钻孔长度33 m，倾角为40°，如图1c所示；压裂钻孔A，钻孔长度47 m，倾角为20°，如图1d所示。
1.4 1307工作面水力压裂钻孔施工工艺
用地质钻机进行钻孔作业。待钻孔完成后，钻孔队伍进行下个钻孔作业，在完成的钻孔中安装封孔器，利用手动泵和储能器封孔，最后连接高压泵实施压裂。钻孔作业和压裂作业可平行作业，作业间距应不小于40 m。压裂使用3ZSB80/62-90型高压水泵。
图1 1307工作面水力压裂钻孔布置
Fig.1 Layout of fracturing boreholes of No.1307 working face
根据水泵电动机功率为90 kW，给高压水泵接电；水泵进水口接静压水，出水口接高压胶管，高压胶管的另一端连接注水钢管，其中：高压胶管与水泵出水口的连接为A型扣压连接方式，与注水钢管的连接为快速连接方式，连接处“O”圈密封；检查各个连接处，连接无误后给高压水泵先通水再通电，调整正反转，观测水泵是否正常运作。
安装、连接、调试工作结束后，连接注水钢管将封孔器推送至预定位置(预裂缝处)。手动泵加压封孔器，观察钻孔并监测压力表，检验封孔器能否保压，若钻孔中有水流出或压力下降明显，说明封孔失效，检查封孔器各个连接处及封孔器本身，找出并解决问题，确保封孔器正常工作。距离压裂孔50 m处拉警戒，试验期间除作业人员外禁止人员通行，操作人员以及作业设备距离压裂孔的距离应在20 m以上，且位于支护条件良好的地方。给高压水泵先通水再通电，然后慢慢加压，同时记录水泵压力表以及手动泵压力表数据，继续加压直至预裂缝开裂，这时压力会突然下降，保压注水使裂纹继续扩展，同时也会软化顶板。观察到4个监测孔几乎同时冒出大量的水，停止加压，压裂结束。高压水泵先断电再停水，封孔器泄压，然后退出钻孔，利用窥视仪观察压裂效果。
3 试验效果分析
3.1 工作面顶板垮落情况
2017年3月20日上午工作面机头推采至11 m，机尾推采至7 m时，30—130号支架顶板垮落；3月20日下午工作面机头推采12.6 m，机尾推采8.6 m时，3—29号、131—174号支架顶板垮落。3月21日，机头推采20.4 m，机尾推采12.8 m时，工作面两侧顶板垮落，采空区顶板全部垮落。1307工作面水力压裂顶板垮落情况见表3。
表3 1307工作面水力压裂顶板垮落情况统计
Table 3 Roof collapse of hydraulic fracturing
of No.1307 working face
工作面平均推进距离/m顶板垮落位置机头三角区机尾三角区工作面中部9.0未垮落未垮落30号—130号支架顶板垮落10.6未垮落未垮落3号—29号、131号—174号支架顶板垮落16.6垮落垮落全部垮落
3.2 工作面基本顶来压分析
工作面初采初放期间每9个支架取一个点进行压力记录，具体记录分析如下：2017年3月23日工作面机头推采38.6 m，机尾推采32 m时，工作面10—22号支架基本顶出现来压现象，支架压力表最大值达到38 MPa，煤壁出现片帮，片帮深度100 mm以内，支架前有漏矸现象，个别支架安全阀开启。
图2 支架初撑力及工作阻力变化曲线
Fig.2 Curves of support setting load and working resistance
3月24日机头推采至48.4 m，机尾推采至38.2 m时，工作面25—33号、62—84号、124—137号支架基本顶来压，支架压力表最大值可达39 MPa，煤壁出现片帮现象，片帮深度80～150 mm，支架前有漏矸，个别支架安全阀开启，工作面中部顶板出现淋水现象。
3月25日机头推采至56.6 m，机尾推采至50.8 m时，工作面139号—173号支架基本顶来压，支架压力表最大值达38 MP，煤壁出现片帮，片帮深度100 mm以内，支架前有漏矸现象，个别支架安全阀开启。
3.3 工作面初次来压步距情况
通过对1307综采工作面初采初放期间顶板压力情况观测，确定基本顶初次来压步距最小为35.3 m，最大为53.7 m，平均为44.5 m。本次1307综采工作面采用水力压力破坏基本顶的完整性，与预裂爆破强制放顶相比，基本顶初次来压步距减少约8 m，且来压期间来压强度较小，避免爆破产生的安全问题，保证了工作面初采初放安全。
4 结 论
1)水力压裂对顶板岩层垮落有一定的促进作用，破坏了围岩结构的完整性，降低岩体强度，使直接顶和基本顶能够及时垮落，达到控制初垮的目的。
2)基本顶初次来压步距最小为35.3 m，最大为53.7 m，平均为44.5 m。与预裂爆破强制放顶相比，1307工作面基本顶初次来压步距减少约8 m，且来压期间来压强度较小，避免爆破产生的安全问题，保证了工作面初采初放安全。
3)基于本矿的实践经验，水力压裂控制顶板技术具有工程量小、安全性高、施工速度快和控顶效果好等特点，能够有效解决综采工作面坚硬顶板基本顶初次垮落步距大、支架压力大等问题，可实现矿井安全高效开采。
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