綜采工作面三角區懸頂的控頂技術

杜 茂

（神華神東煤炭集團 柳塔煤礦連采二隊，內蒙古 鄂爾多斯 017200）

1 研究背景

綜采工作面回采過程中兩順槽三角區容易產生大面積懸頂，其原因是巷道掘進時采用了錨桿、錨索、金屬網等聯合支護，致使頂板不易垮落；頂板巖石的巖性強弱也有一定的影響。因此導致懸頂的距離能夠達到15～20 m，造成較大安全隱患。如果三角區懸頂突然垮落產生颶風，就容易壓出有毒有害氣體造成危害。神東礦區寸草塔二礦、上灣礦、布爾臺礦井，多次出現懸頂突落，造成上隅角瓦斯、一氧化碳等有害氣體瞬時濃度超限，給煤礦的安全生產帶來嚴重影響。

2 水力致裂技術措施的應用

2.1 注水設備及實施步驟

1）注水設備。加壓泵站1臺（天津市精誠高壓泵制造公司生產，電機型號YBK2-4-160B3；泵站型號3ZSB-158/18），1.5 m3水箱 1 個，70 m2電纜若干，接1 140 V電源，啟動器1臺，60 MPaDN19高壓膠管200 m或按實際增減)，封口器及連接管若干，10號鉛絲若干，鉗子、活口扳手各一個。再者，提前在頂板指定位置，打φ32 mm鉆孔若干。

2）實施步驟。①在施工鉆孔或注水作業前，要對作業地點前后10m范圍內頂幫狀況進行檢查，并嚴格執行敲幫問頂制度，防治片幫傷人。②在靠近皮帶作業時，必須停止皮帶運轉，閉鎖并上鎖。③注水工作安排在早班設備檢修期間進行。④注水作業必須在超前支護范圍內進行，并保證注水區域支護可靠。⑤每日注水前必須對高壓液管進行全長檢查，確保管路完好。⑥封口器送到位后，必須將安裝桿與頂網固定牢靠。⑦注水時，注水孔前后20m范圍內不得有人員停留，并安排專人設置警戒，嚴禁任何人通過注水區域。⑧注水時，泵站控制人員與注水觀察人員要保持通信暢通，保證可以隨時停泵。⑨注水時需人員5人。電工1人，負責送電；泵站司機1人，負責開泵，并記錄壓力、注水時間等數據；安裝封口器，拖曳高壓膠管2人，注水時負責順槽兩側警戒；現場觀察1人，負責觀察記錄注水效果。⑩注水過程中，發現頂板有斷裂下沉現象時立即停止注水，并采取措施防止頂板事故發生。11○合理控制注水壓力，一般不高于45MPa。12○每班安排專人對實施水力致裂區域頂板進行觀察，發現頂板破碎、下沉量增大有冒落危險時，立即匯報跟班領導，采取措施防止頂板事故發生。

2.2 實施方案

1）預裂孔布置?，F以結合寸草塔二礦22115膠運順槽頂板巖性及高壓水預裂范圍的現場實測，初始預裂孔布置方式為：每排2個孔，距副幫800 mm布置一個，沿巷道中線向采空區打設；另一個距副幫1 800 mm，與綜采面呈45°角向采空區打設，鉆孔深度7m，與頂板呈60°～70°角，見圖1。

2）封孔深度。根據成孔質量，封孔深度設置為2～4 m。

3）現場觀測。封孔深度為2m時，與注水孔相鄰的錨桿先漏水，然后錨桿大面積漏水，錨桿漏水量大于錨索漏水量；頂板出現明顯裂紋，且裂紋漏水量較大。封孔深度大于3m時，與注水孔相鄰的錨索先漏水，然后大面積錨索漏水，錨索漏水量大于錨桿漏水量，頂板未出現明顯裂紋。

圖1 方案一預裂孔布置平面圖

4）水壓及注水時間。水壓在32～45 MPa間，多數在32～42 MPa間，破斷水壓不大。注水時間5～6 min。

5）輔助退錨措施及垮落情況。不采用退錨措施時，上隅角懸頂長度6～8 m，靠副幫側滯后距離較遠，隨周期來壓垮落。退錨情況時，上隅角懸頂長度可控制在4～6 m范圍內，懸頂長度有所減小。

6）技術分析。①注水破斷壓力小，多數鉆孔大于30 MPa即泄壓。寸草塔二礦錨索排距2 000 mm，預裂孔布置排距5 m，存在預裂孔與錨索鄰近的現象，導致注水時與錨索鉆孔先期導通泄壓的情況出現。45°向采空區布置方式，與周邊2排錨索存在交叉或鄰近現象，也是導致提前泄壓的一個原因。②封孔深度。封孔深度在2m以內時，高壓水與錨桿鉆孔優先導通泄壓，對深部預裂效果有限。結合預裂孔成孔質量，封孔深度以2.5～4m為宜。③輔助退錨方面。根據22115綜采面采高，水力致裂深度控制在6 m左右即可充實采空區，所以預裂后頂錨索仍起支護作用。如不退錨，綜采推過后錨索已破碎，頂板懸吊起來，不能及時垮落。④副幫側垮落仍存在滯后現象。

3.3 實施方案二

根據方案一的結果，改進為方案二。

1）預裂孔布置方式。每排2個孔，距副幫500 mm布置一個，沿巷道中線向采空區打設，預裂孔排距6 m；另一個布置在巷道中部，垂直向順槽正幫打設；為避免與錨索鉆孔距離過近導致提早泄壓，排距為錨索排距的整數倍，布置在兩排錨索中間（寸草塔二礦錨索排距為2 m）。鉆孔深度8 m，與頂板呈60°～70°，見圖 2。

2）封孔深度。根據方案一試驗結果，封孔深度在2.5～4 m之間。

圖2 方案二預裂孔布置平面圖

3）現場觀測。經對預裂孔位置及封孔深度調整后，有效避免了與錨桿、錨索導通而提前泄壓現象。頂板破斷水壓有了明顯提升，達到38～54 MPa時錨索先行導通漏水，周圍錨桿漏水后大面積泄壓。頂板無明顯裂紋，局部出現條狀水痕。沖刷段排距6 m兩排孔間錨索、錨桿漏水量較小，存在不漏水的現象，且破斷水壓較大。

4）輔助退錨措施及垮落情況。按公司規定采取超前退錨措施。正常段懸頂長度基本可控制在2～3 m，靠副幫側能及時垮落；試驗階段遇小面積沖刷，沖刷段最大懸頂長度仍達9 m左右，且聯巷口不能及時垮落。

5）技術分析。沖刷段、聯巷口不能及時垮落。因沖刷段頂板巖性較硬，原6 m排距兩孔無法導通或導通不充分；按正常排距計算，聯巷口范圍內只有2排預裂孔，且位置不固定，導致預裂效果差，頂板不能及時垮落。

2.4 實施方案三

根據方案二的結果，改進為方案三。

1）預裂孔布置方式。預裂孔布置方式為每排2個孔，距副幫500 mm布置一個，沿巷道中線向采空區打設；另一個布置在巷道中部，垂直向順槽正幫打設；為避免與錨索鉆孔距離過近導致提早泄壓，排距為錨索排距的整數倍，布置在兩排錨索中間（寸草塔二礦錨索排距為2 m）。鉆孔深度8 m，與頂板呈60°～70°。頂板正常段仍為4 m、6 m間隔布置；沖刷段預裂孔排距為4 m；聯巷口布置3排，兩側抹角各1排，聯巷中部1排。見圖3和圖4。

2）封孔深度。因沖刷段頂板巖性較硬，完整性較好，為更好對沖刷段頂板進行致裂，采用單排孔不同封孔深度多次注水的方式。封孔深度由淺至深（2～4 m）。

3）現場觀測。封孔深度由淺至深，錨桿、錨索分層次導通，破斷水壓較之前有所降低，通過漏水情況來看，每兩排間所有錨桿、錨索均能導通。

圖3 頂板為沖刷段預裂孔布置方式

圖4 聯巷口預裂孔布置方式

4）輔助退錨措施及采空區垮落情況。按公司規定采取超前退錨措施。沖刷段頂板懸頂長度可控制在4 m以內，且聯巷口三角區頂板也能及時垮落。

5）技術分析。從現場實際觀測，按照方案三的方式分別頂板巖性和區域布置預裂孔，根據頂板堅硬程度以不同封孔深度進行注水，加之輔助退錨措施，可實現寸草塔二礦上隅角頂板及時垮落。

2.5 實施效果分析

1）寸草塔二礦按照方案三持續進行注水致裂，注水后上隅角懸頂可控制在1～3 m左右，且副幫側全部垮落。生產時上隅角瓦斯控制在0.3%～0.4%，檢修時上隅角瓦斯控制在0.2%～0.3%。

2）根據順槽頂板巖性確定預裂孔合理的排距，不宜與已支護錨桿錨索距離過近。

3）封孔深度與注水方式。正常段頂板封孔深度在2.5 m以上為宜；遇沖刷等堅硬巖石段可實行2～4 m分階段封孔，多次注水的方式。

4）破斷壓力與注水時間。根據寸草塔二礦對22115膠運順槽150 m試驗情況，砂質泥巖段頂板注水壓力在32～45 MPa之間；沖刷段頂板注水壓力在40～55 MPa之間，注水時間以5～7 min為宜，沖刷段可適當延長。

5）根據注水后頂板狀況實行輔助退錨措施。注水孔周邊最近的錨桿保留，機頭行人通道側錨桿保留。

6）注水、檢修、退錨作業相互配合。先檢修、后注水，根據注水后頂板情況決定是否實施退錨作業，確保安全。

3 結束語

水力致裂技術的應用，有效解決了綜采工作面三角區大面積懸頂和上、下隅角瓦斯積聚的問題，配合退錨措施使頂板垮落效果更加明顯，不僅提升了綜采工作面的安全生產程度，而且有效降低了材料成本，經退錨取下的錨索、錨桿托盤、鎖具等都能重復利用，提高了經濟效益。

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