赵立志
（山西汾西中兴煤业有限责任公司，山西 交城 030500）
山西某矿区回采3#煤具有埋深浅、近水平以及地质构造简单等优点。随着综采技术以及设备不断发展，实现综采设备高效回撤对提升煤炭生产效率具有显著促进意义。近些年来，矿井不断推广应用多通道回撤工艺，综采设备回撤耗时由以往30 d 以上缩短至10 d 以下。采用多通道回撤工艺时对采面末期顶板管理要求较高，需要避免在回撤期间出现顶板来压、沿煤壁切顶或者支架压架等事故[1-4]。对坚硬顶板弱化，降低末采期间矿压显现，可为综采设备回撤创造良好条件，煤矿常用顶板弱化技术有水力压裂、深孔预裂爆破等。由于3#煤层顶板为坚硬的石灰岩及砂岩，为降低末采期间矿压显现并为综采设备回撤创造良好条件，提出采用水力压裂技术对顶板进行弱化。
山西某矿3#煤层3305 综采工作面上覆为2#煤层2303、2305 综采工作面采空区，3#煤层与上覆2#煤层层间距为30 m。3#煤层直接顶为砂岩（厚度2.1 m、层理发育），基本顶为细粒砂岩（致密坚硬、钙质胶结），具体煤层顶板岩性参数见表1。
表1 3#煤层顶板岩性
3305 综采工作面走向、倾向长分别为4 235 m、258.5 m，开采范围内煤层厚度均值3.5 m、倾角4°。采面布置的主要综采设备包括有JOY7LS6C 采煤机、ZY12000/20/40D 液压支架、SGZ1000/3600 刮板输送机等，采面正常回采期间推进速度为6.0 m/d，采面正常回采期间矿压显现明显，开采引起超前支承压力影响范围约为30～50 m。3305 综采工作面采用多通道回撤工艺，为降低采面综采设备回撤期间顶板矿压显现程度，矿方经过技术研讨采用水力压裂技术弱化顶板。
2.1 水力压裂钻孔布置
针对3305 综采工作面上覆坚硬、较厚细粒砂岩垮落时矿压显著问题，在采面末采期间采用高压水力压裂技术对该岩层进行弱化。根据采面开采范围内顶板岩性、煤岩体特征等，在回撤通道内向顶板施工水力压裂钻孔，对顶板进行弱化。在3305 综采工作面与主回撤通道前30 d，采用ZDY1200S 钻机向采面方向施工水力压裂钻孔，钻孔孔径均为56 mm，孔深40 m时按照35°仰角布置、孔深36 m 时按照50°仰角布置，具体主回撤通道内顶板弱化钻孔布置示意图见下页图1。
图1 主回撤通道内顶板弱化钻孔布置示意图
在回风巷距回撤通道55 m 处施工定向长钻孔，具体见下页图2。水力压裂方式为分段压裂式（双封单拖压裂方式）。通过采用定向长钻孔水力压裂以及回撤通道水力压裂，可实现回撤通道前方75 m 范围内顶板弱化，达到降低采面末采期间周期来压步距以及矿压显现强度目的。
图2 回风巷定向水力压裂长钻孔布置示意图
2.2 顶板弱化工艺
采用水力压裂技术对3305 综采工作面顶板弱化工艺流程见图3。水力压裂系统包括高压水泵、压力表、高压软管及封孔器等。顶板坚硬岩层弱化包括压裂钻孔封孔、高压水力压裂以及注水保压等[5-7]。注水管连接处密封用“O”型圈，密封效果好且便于拆装。水力压裂时使用采用大功率防爆电机，油泵流量为80 L/min、供电电压为660/1 100 V，额定工作压力62 MPa。采用流量水压监测仪对压裂系统供液流量、压力等实时监测，便于掌握高压水力压裂过程。
图3 水力压裂工艺示意图
水力压裂过程中水压保持在20～55 MPa，平均压裂水压稳定在30～35 MPa，单个钻孔压裂4 次，单次压裂用水量控制在1.0～2.5 m3。在水力压裂初期，起缝后供水压力即会降低，压裂进入保压阶段。在此阶段裂隙扩展并产生新的缝隙，采用专用设备实时获取压裂系统中水量、水压及实时流量，便于提高采面顶底板弱化效果[8-9]。
具体末采期间及正常回采期间采面推进过程中矿压显现统计结果见表2。正常回采时采面周期来压步距、持续来压长度分别为16.8 m、6.5 m，末采期间采面周期来压步距及来压持续长度分别降至11.5 m、4.0 m；
来压期间液压支架动载系数由1.69 降至1.35，通过对末采范围内坚硬顶板进行弱化，采面矿压显著程度明显降低。
表2 采面末采期间及正常回采期间矿压显现监测结果
1）3305 综采工作面上覆存在有坚硬且厚度较大的细粒砂岩，为提高综采设备回撤效率，采面采用多通道回撤工艺，若采面末采期间不对上覆坚硬岩层进行处理，则由于矿压显现显著、超前支承压力影响范围广，导致回撤通道围岩变形量较大，给后续综采工作面高效回撤工作开展带来制约。
2）对3305 综采工作面顶板覆岩情况、采面斜长以及水力压裂工艺等进行分析，提出在回撤通道内以及采面回风巷内均布置水力压裂钻孔，对末采期间（距离回撤通道75 m 范围内）对上覆坚硬顶板进行弱化；
对弱化钻孔布置及水力弱化工艺进行分析。现场应用后，末采期间采面周期来压步距、来压强度分别降至11.5 m、1.35，矿压显现强度明显降低，为回撤通道围岩控制及末采期间采面顶板控制创造良好条件。