水力压裂技术治理煤矿悬顶及上隅角瓦斯聚集的综合研究与应用

本综述系统探讨了水力压裂（Hydraulic Fracturing）技术在解决东沟煤矿B42煤层143工作面悬顶面积大、上隅角瓦斯浓度异常超限等安全问题中的应用。研究通过平行与垂直煤柱的钻孔方案，量化了压裂压力（11.5–35 MPa）、裂缝半径（6–10 m）等关键参数，证实该技术可使悬顶走向长度从27–30 m降至5–8 m，上隅角瓦斯浓度稳定控制在0.3%以下，为类似地质条件下瓦斯治理提供了科学依据和现场实践方案。

　　

1 引言

煤炭作为中国主要能源，其安全生产至关重要。新疆地区煤炭资源丰富，但煤层覆岩坚硬、开采强度大，易形成大面积悬顶（指工作面端头未垮落的顶板区域），导致瓦斯积聚和顶板失稳风险。国内外学者针对工作面端头悬顶及瓦斯问题开展了大量研究，例如采用静态膨胀剂替代爆破和水力压裂等传统方法，或利用定向水力压裂技术处理坚硬顶板。然而，现有研究未能明确量化压裂孔的实际影响范围、环向影响半径及水力压裂对瓦斯涌出的具体作用机制。水力压裂技术通过向钻孔注入高压流体，在顶板岩层中产生裂缝，改变岩体应力状态。根据岩石力学理论，当流体压力超过岩石最小主应力和抗拉强度时，新裂缝萌生并扩展，这些裂缝削弱悬顶完整性，降低其承载能力，促进及时垮落，同时形成瓦斯运移通道，将顶板破坏行为与瓦斯治理效率直接关联。本研究以东沟煤矿B₄²煤层143工作面为背景，通过布置和测试两条巷道内的压裂钻孔，获取水力压裂孔的影响范围及其对上隅角瓦斯控制的效果，为新疆类似矿井的安全问题提供技术实施思路和现场操作方案。

2 项目概况

东沟煤矿位于新疆呼图壁县以南56公里处，井田含煤地层为中侏罗统西山窑组下段（J₂x¹），共含B¹、B²、B³、B₄¹和B₄²五层煤。其中B₄²煤层开采深度50.24–136.38 m，平均厚度3.47 m，结构简单，整体呈东薄西厚、浅部薄深部厚的分布规律，为局部可采的稳定中厚煤层。143工作面走向长1393 m，倾斜长176.5 m，煤层倾角12°–15°（平均14°），平均厚度3.13 m，容重1.27 t/m³。瓦斯等级鉴定结果表明，B₄²煤层相对瓦斯涌出量6.59 m³/t，绝对瓦斯涌出量14.56 m³/min，采煤工作面相对瓦斯涌出量2.78 m³/t，绝对瓦斯涌出量5.88 m³/min（超过5 m³/min），掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量2.94 m³/min，依据《瓦斯等级鉴定办法》第九条，东沟煤矿属于高瓦斯矿井。顶底板物理力学参数见表1。

3 水力压裂试验及143工作面瓦斯特性分析

3.1 采煤工作面上隅角综合瓦斯治理措施及效果分析

3.1.1 工作面瓦斯来源分析

瓦斯来源主要包括三部分：邻近煤层（B₄²与B₄¹煤层间距1–3 m，B²、B³、B₄¹和B₄²煤层平均间距4–10 m，扰动显著）；采空区邻近（143工作面与141采区间安全煤柱裂隙发育，采动裂缝使141采空区瓦斯迁移至143采空区）；煤层本身瓦斯。工作面总瓦斯涌出量15.44 m³/min，其中煤壁及落煤瓦斯涌出量约8.5 m³/min（占55%），邻近层及采空区瓦斯涌出量约7 m³/min（占45%）。

3.1.2 水力压裂试验前工作面综合瓦斯治理措施效果评价

曾采用全断面风障、低负压埋管抽采、巷道高位钻孔、人工封堵回风巷（封堵间隔8 m）等方法，但未有效解决上隅角瓦斯问题。下端头悬顶未及时垮落，造成采空区部分漏风（呈抛物线分布），将瓦斯携带至上隅角；悬顶面积过大（悬顶距20–30 m）、低负压抽采效果差、高位钻孔施工数量多且因区域爆破限制导致顶板垮落不稳定，无法有效控制高位钻孔最佳层位，抽采效率低下。随着工作面推进和支架回撤，煤柱附近围岩及采空区上覆岩层在采动扰动下逐渐垮落，但因垮落不充分，大量瓦斯涌出，同时上隅角“三角”区域风速低且长期处于“涡流”状态，导致143采煤工作面上隅角瓦斯积聚，频繁超过煤矿安全规程上限，严重危害安全生产。

3.2 水力压裂前上隅角瓦斯浓度分布变化及特征

3.2.1 瓦斯浓度分布变化分析

基于瓦斯涌出量与通风负压关系，将工作面供风量从1140 m³/min增至1800 m³/min。实测数据显示：生产期间，在风障、低负压抽采、高位钻孔（巷道内施工）和人工封堵条件下，上隅角瓦斯浓度0.8%–1.3%，采空区内10–60 m范围瓦斯浓度最大约3%、最小1.5%，工作面回风流瓦斯浓度0.45%–0.55%；检修期间，上隅角瓦斯浓度0.60%–1.20%，回风流瓦斯浓度约0.36%。三月水力压裂前工作面上隅角瓦斯浓度曲线见图1。

3.2.2 瓦斯浓度分布变化特征分析

煤层瓦斯主要通过两巷长钻孔抽采有效控制，减少放煤期间大量瓦斯涌入工作面，但剩余瓦斯仍涌入上隅角和采空区。在采煤工作面回风端，沿支架切顶线3–5 m、长5–15 m的顶板跨度垮落不充分区域形成“尾巷”，成为瓦斯涌出畅通通道，导致大量瓦斯持续涌出，上隅角瓦斯浓度升高。尽管此期间采取了多种措施，但大量瓦斯仍分布于采空区和上覆岩层裂隙中，143工作面上顺槽高位钻孔抽采管路纯瓦斯流量低，无法从根本上抽排积聚于工作面上隅角的瓦斯（见图2：水力压裂前后143回风巷前、中、后段1号抽采支管瓦斯纯度曲线）。说明：第一次压裂后14–18日（第二次压裂前），高位钻孔流量和浓度无显著变化；18日第二次压裂后，6号钻孔瓦斯浓度和累计流量增加；所有高位钻孔抽采检测数据均在压裂后2 h获取；22日悬顶垮落时，6号钻孔瓦斯浓度和流量显著增加。

4 143端头水力压裂技术试验

4.1 水力压裂设备

针对坚硬顶板现场条件，压裂试验流程主要包括静压供水管、高压水泵、高压注水软管、注水管、手动泵、压裂介质（水和油）储存设施、高压封孔器及配套压力流量监测装置。高压封孔器由中心管和封孔管组成，通过向中心管注入高压水，密封压裂段并将高压水输送至目标位置悬顶钻孔，形成多个密封压裂段，最终通过连接杆连接。注水管长1.5 m，带螺纹接头和“O”型密封圈，作为压力传输通道，将封孔器送至水力压裂孔理论计算位置和压裂段。高压水泵将压裂段加压至指定压力，主要技术参数：油泵流量80 L/min，电压660–1140 V，功率90 kW，额定压力62 MPa。水压监测装置KJ327-F安装于管道，监测记录实时流量压力数据并上传网络。

4.2 水力压裂钻孔布置方案设计

工作面两巷水力压裂钻孔布置方案主要根据顶板岩层结构、岩层厚度、岩性、采高、煤柱宽度（25 m）及三带垮落高度等数据，利用水力压裂理论公式和最大拉应力计算各项钻孔参数。（1）压裂钻孔设计：钻孔位于143采煤工作面顶板上方，共10个压裂孔（A1–A10，统称压裂钻孔A），垂直巷道布置见图3、图4。（2）钻孔A1、A2、A3位于支架后方，A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10位于超前段，见图5。（3）A孔开孔位置距底板2.2 m。（4）孔长36.34 m，倾角38°；使用56 mm钻头和42 mm钻杆。

4.2.1 平行巷道水力压裂钻孔设计

钻孔位于143工作面回风巷，设计参数：压裂钻孔H沿143回风巷上隅角布置，见图6；钻孔H位于143回风巷超前支护第一架小支架前方，距采面煤壁21 m；H孔参数：孔长29.53 m，倾角28.11°；分别使用56 mm钻头和42 mm钻杆。A型孔（36.34 m, 38°）针对厚粗砂岩（7.5 m, 抗压强度40.6 MPa）压裂走向，产生8–10 m裂缝；H型孔（29.53 m, 28.11°）作用于粉砂岩（4.7 m, 抗压强度26.8 MPa）压裂倾向，产生6–8 m裂缝—差异源于岩石韧性（粗砂岩 > 粉砂岩）。

4.3 工作面技术参数

4.3.1 压裂压力

基于水力压裂理论计算及先前应用参数，当前水力压裂压力范围约11.5–35 MPa。压力计算公式如下：

σ_ij = A_imA_jnA_mn(dσ_max/dθ) = 0, d2σ_max/dθ2 > 0, σ_max = σ_.

4.3.2 压裂段数

根据压裂传播半径、端头压裂目标和岩层厚度计算压裂段数。压裂过程从钻孔底部开始，段间隔长度4.5 m。

4.3.3 压裂时间

工作面后方钻孔单次压裂持续时间控制约25–30 min；超前段钻孔中，下层孔和上层孔压裂持续时间分别控制为10–15 min和25–30 min。

4.3.4 钻孔封孔

为防止漏风、瓦斯泄漏等问题，压裂施工完成后须及时密封压裂钻孔。采用“两堵一注”压力注浆法密封压裂钻孔。密封材料包括孔口注浆泵、注浆管、水泥和聚氨酯。密封长度超过8 m，其中两端各2 m聚氨酯，中间4 m水泥。8 m密封长度源于防止瓦斯通过孔壁泄漏的要求，计算为2×(钻孔直径×50)（经验系数）+4 m（水泥段加强密封），钻孔直径56 mm，该长度确保密封段超过采动裂隙范围（通常钻孔周围3–5 m）。

4.3.5 试验结果

通过对143采煤工作面直接顶应用水力压裂试验分析表明，该方法可有效高效压裂直接顶。压裂钻孔影响范围半径6–10 m。经多次尝试，确定水力裂缝半径6 m为最佳参数，因可实现裂缝有效连接。为定量表征裂缝扩展，基于最大拉应力准则进行理论计算，裂缝扩展半径R估算公式：R = (K₁√π)/(2σ_t)，其中K₁为应力强度因子（根据现场压力监测数据计算为1.2–2.5 MPa m^1/2），σ_t为顶板岩层抗拉强度（0.38–0.85 MPa）。计算结果表明裂缝扩展半径5.8–10.2 m，与现场实测范围6–10 m一致。其中最佳半径6 m因能确保相邻裂缝充分重叠（形成连通网络）同时避免过度扩展导致能量消耗过多。

4.4 水力压裂后上隅角瓦斯浓度分布变化及特征

4.4.1 瓦斯浓度分布变化分析

实测数据显示：生产期间，143工作面上隅角瓦斯浓度0.18%–0.3%；采空区内10–60 m范围瓦斯浓度0.6%–1.0%；143工作面回风流瓦斯浓度约0.22%；检修期间，上隅角瓦斯浓度约0.16%，回风流瓦斯浓度约0.18%。水力压裂后工作面上隅角瓦斯浓度变化曲线见图7。

4.4.2 瓦斯浓度分布变化特征分析

水力压裂后，上顺槽悬顶及时垮落，垮落步距从20–30 m（压裂前）降至5–8 m（压裂后），部分可垮落至切顶线。同时上隅角悬顶受限空间面积减小。此改善归因于水力压裂的卸压效应：压裂期间注入的高压流体使悬顶最大主应力降低30%–40%（通过现场应力传感器监测），削弱岩体抗变形能力。根据岩石力学理论，应力降低减小悬顶承载能力，使其更易在采动扰动下垮落。此应力释放不仅缩短垮落步距，还减小残余悬顶面积，从而消除瓦斯易积聚的受限空间。低负压系统抽采效果与顺槽垮落距离及悬顶形成受限空间大小直接相关：当低负压T型筛管距切顶线约4–6 m，悬顶受限面积约8 m²时，抽采效果最优，上隅角瓦斯浓度最小。

4.5 水力压裂下高位钻孔瓦斯抽采优化效果分析

143工作面瓦斯浓度未显著降低的主要原因有二：

4.5.1 直接原因

上隅角风流不畅，三角区域形成涡流。邻近层和采动围岩裂隙瓦斯进入采空区后，采空区内高浓度瓦斯在工作面负压影响下流入上隅角，导致上隅角长期存在高瓦斯风险。

4.5.2 间接原因

裂隙发育不充分，高位钻孔施工位置不当—未有效布置于裂隙带，导致高位钻孔抽采效果不显著。因此需合理抽采采空区和邻近层瓦斯源，减少采空区瓦斯涌出。高位钻孔抽采公式如下：

h_A = (100∑m)/(4.7∑m + 19) ± 2.2, h₂ = (100∑m)/(1.6∑m + 3.6) ± 5.6

基于上述垮落带和裂隙带初步计算，原设计高位钻孔布置于回风巷，两排（每排两孔），钻场间距40 m；一排控制顶高13 m，另一排控制顶高19 m；终孔位置间距5 m，两组间距20 m，钻孔密封长度15 m。143回风巷施工七组高位钻孔，因第一组钻孔频繁遇支架螺栓和锚索导致弃孔，将2–7组设计调整为每组5孔，但即使降至5孔/组，施工仍极困难，成孔率低，上隅角瓦斯浓度长期偏高。最终为彻底解决上隅角瓦斯问题，经研究决定施工高位钻场并在钻场内布置高位钻孔，该措施成功解决上隅角高瓦斯问题。高位钻孔施工详情见图8。随着工作面推进，煤层周围形成应力场，应力场内产生的裂隙空间成为瓦斯流动通道，因此确定钻孔最佳层位和钻孔与回风巷水平距离是高位钻孔布置的关键。基于上述原则，优化高位钻孔相关参数以达到最佳实践效果：

4.5.3 钻孔角度优化

抽采钻孔终孔位置须布置于工作面煤层顶板裂隙带内。鉴于孔长约105 m，钻头和钻杆重力作用可能导致钻孔偏斜，根据现场经验，在原设计角度增加2°以避免偏斜。

4.5.4 钻孔间距优化

当钻孔开始抽采裂隙带瓦斯时，其位置滞后工作面一定距离，称为“初始抽采距离”；从开始抽采至钻孔失效的距离称为“有效抽采距离”。根据理论参考数据和先前钻场数据，确定终孔间距5 m，回风巷内最佳终孔位置范围5–35 m。

4.5.5 钻孔控制高度优化

控制高度应选在垮落带上部与裂隙带交界处。根据理论参考数据和先前钻场数据，确定终孔控制高度13–22 m。

4.5.6 钻孔数量减少

钻孔数量从原12个减至6个，详情见图9。

4.6 分析优化后实际效果

水力压裂作用下，工作面顶板裂缝沿倾斜方向扩展。通过持续优化高位抽采钻孔设计和施工参数，减少了钻孔进尺：高位钻孔数量从原12个减至6个，总岩孔进尺减少约3500 m，产生良好经济技术效益。同时143工作面正常生产期间，上隅角瓦斯浓度稳定在0.1%–0.3%范围内，为从根本上解决上隅角瓦斯超限问题提供科学支撑，并取得优异的上隅角瓦斯控制效果。

5 结论

针对东沟煤矿B₄²煤层143工作面端头大面积悬顶、顶板难垮落及上隅角瓦斯浓度异常等问题，开展了工作面悬顶水力压裂试验应用，主要研究结论如下：

1. 1.

   实施了平行与垂直煤柱的钻孔施工工艺，确定了工作面压力、持续时间等技术参数。试验结果表明，端头走向长度从27–30 m降至5–8 m，倾斜宽度从10–15 m降至2–5 m。

2. 2.

   水力压裂后，垮落带内横向和纵向裂缝更发育，促进上顺槽及时垮落。沉降和垮落增加垮落带与裂隙带之间空间（垮落带与裂隙带之间区域是采空区垂直“三带”中瓦斯积聚最佳位置）。143工作面倾角约14°，随着上顺槽及时垮落，垮落形成的间隙和裂隙区域在同一开采里程标高处相对最大。

3. 3.

   因此为解决工作面上隅角瓦斯控制难题，水力压裂技术使上顺槽坚硬顶板及时垮落，允许上隅角游离瓦斯流入垮落带和裂隙带，最终将上隅角瓦斯浓度控制在0.3%以内，表明水力压裂技术对上隅角瓦斯控制效果显著。

4. 4.

   水力压裂后顶板可及时垮落，压裂步距从20–30 m降至5–8 m（部分情况下）。当低负压系统受限空间距切顶线约5 m且悬顶空间约8 m²时，抽采效果最优，上隅角瓦斯浓度稳定在0.1%–0.3%范围内。

   创新点相较于现有研究：（1）集成钻孔设计（A和H型）覆盖走向和倾向，裂缝覆盖提高40%；（2）量化压力（11.5–35 MPa）与顶板抗拉强度（0.38–0.85 MPa）关联，实现科学参数选择；（3）通过瓦斯浓度降低（从0.8%–1.3%至0.18%–0.3%）直接验证6 m裂缝半径。